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变电所接地设计问题分析

?简介：变电所接地网作为隐蔽工程具有一次性建设、维护困难等特点,在设计过程中,要从接地电阻与短路电流的关系、接地装置的比选、地网防腐措施、接触电势与跨步电压验算及合适的埋设深度等方面全面认识和把握接地问题。

?关键字：变电所,接地网,接地电阻,短路电流

1正确分析短路电流

《交流电气装置的接地》(DL/T621-1997)中对接地电阻值有具体的规定,一般情况下规定通常不大于0.5Ω。在高土壤电阻率地区,当要求接地装置做到规定的接地电阻在技术经济上很不合理时,大接地短路电流系统接地电阻可以为R≤5Ω, 但应采取相应措施,如防止高电位外引、均压设计、验算接触电势、跨步电压等。根据规程规定,主要是以发生接地故障时,接地电位的升高不超过2kV进行控制,其次以接地电阻不大于 0.5Ω和5Ω进行设计。实际中,人们往往认为,接地电阻测量值小于0.5Ω即为合格,大于0.5Ω就是不合格,而没有认清其背后的机理,忽视短路电流的大小,这是不恰当的。

接地的实质是控制变电所发生接地短路时,故障点地电位的升高,因此接地主要是为了设备及人身的安全,起作用的是电位而不是电阻。接地电阻是衡量地网合格的一个重要参数,但不是唯一的参数。随着电力系统容量的不断增大,一般情况下单相短路电流值较大,从安全运行的角度出发,不管在什么情况下,都应该验算地网的接触电势和跨步电压,必要时应采取防止高电位外引的隔离措施。

当系统发生接地故障时,产生的接地短路电流经三种途径流入系统接地中性点。①经架空地线-杆塔系统;②经设备接地引下线、地网流入本站内变压器中性点;③经地网入地后通过大地流回系统中性点。而对地网接地电阻起决定性作用的只是入地短路电流,所以,正确地考虑和计算各部分短路电流值,对合理地设计地网有着很大的影响。

对于有效接地系统110kV以上变电所,线路架空地线都直接与变电站出线架构相连。当发生接地短路时,很大一部分短路电流经架空地线系统分流,在计算时,应考虑该部分分流作用。发生接地故障时,总的短路电流是一定的,增大架空地线的分流电流,入地短路电流就相应减小,因此,降低架空地线的阻抗也是接地设计需要考虑的重要方面。架空地线采用优良导体,正确利用架空地线系统分流,将使地网的设计条件更为有利。

经分析可知,入地短路电流是总的接地短路电流减去架空地线的分流,再减去流经变压器中性点的电流。如此计算,实际入地短路电流值就相对比较小,根据R≤2000/I的要求,接地电阻相应的允许值就比较大,此时按规定值控制,设计自然就容易满足。

2接地装置布置方式的比选

在接地设计中,采用的土壤电阻率要准确,否则会造成设计的误差。土壤电阻率的测量是工程接地设计重要的第一手资料,由于受到测量设备、方法等条件的限制,土壤电阻率的测量往往不够准确,尤其是地质结构复杂或有不均匀地质结构的地区。为保证电阻率准确性,勘测时可以采用两种以上方法 (如接地摇表法和电流电压法等),对所测结果相互对照,提高精度,减小误差。

根据地网接地电阻的估算公式:

R≈0.5ρ/s

式中:ρ为土壤电阻率,Ω·m;s为接地网面积,m2;R为地网接地电阻,Ω。

ρ一定时,接地电阻基本上由接地网面积决定,地网面积一旦确定,其接地电阻也就基

本确定。因此,在地网布置设计时,应充分利用变电所的全部可利用面积,如果地网面积过小,其接地电阻是很难降低的。

在35kV及以上变电所中,一般采用水平接地线为主,带有垂直接地极的复合型地网。垂直接地极对地网的接地电阻值影响并不大,据实验验证,水平地网中附加长2.5m、直径40 m m的垂直接地极若干,其接地电阻仅下降2.8%～8%。但是, 垂直接地极对冲击电流、雷电流散流作用较好。因此,在地网及独立避雷针、线路避雷线、避雷器的引下线处应敷设垂直接地极,以加强集中接地和散泄雷电流。

接地网布置方式有长孔与方孔两种,当包括地网外周4根在内的均压带总根数在18根及以下时,常采用长孔接地网,如图1(a)所示。110kV变电所占地面积一般不超过100×100m2,考虑均压线间屏蔽作用,均压线总根数通常为8～12根左右, 较多采用长孔方式布置,但与方孔布置相比,存在以下问题。

(1)长孔地网某一条均压线断开时,均压带的分流作用明显降低。方孔地网纵、横向均压带相互交错,当某条均压线断开时,对分流效果影响不大,优于长孔地网。

变电所的系统接地和杂散电流

?简介：变电所变压器中性点出线的系统接地如果设置不当, 其杂散电流可能引起电气火灾、地下金属部分被腐蚀、对信息技术设备的干扰、影响安装在配电盘内全

面检测接地故障的电流互感器对“漏电火灾”报警的动作有效性等不良后果。本文依据新版国际电工标准对变电所系统( 单电源TN系统、多电源 TN系统) 接地的

设置和杂散电流的减小进行了简述。

?关键字：系统接地,杂散电流,接地系统引出电磁干扰

大家知道10/0.4kV变电所内有电气设备外露导电部分的保护接地和低压侧中性点出线的系统接地两个接地。两个接地是合是分需视具体情况而定[1],本文对此不作讨论。本文拟讨论的是另一个问题,即变压器低压侧中性点出线应是在出线处就地直接接地还是在低压配电盘处接地。关于这个问题笔者曾依据 IEC60364-1文稿(64/1259/CD基本原则、一般特性评价、定义2003)作过介绍[2]。现时对这个问题众说纷纭,反映了在执行国家规范中难以操作。由于有关此问题的正式标准IEC60364-1(基本原则、一般特性评价、定义2005)已经发布,笔者拟按此正式IEC标准,就个人理解所及补充一些介绍,供同行参考。

1单电源TN系统内系统接地的设置

按IEC60364-1新标准的规定,对于单电源供电的TN-S系统,其系统接地的设置如图1

所示。如果此电源(变压器或发电机)经电源线路供其他建筑物的电气装置,则电源线路中的PE线宜重复作系统接地,使PE线更接近地电位。

当变电所以TN-C-S系统给其他建筑物电气装置供电,在电源进线处将PEN线分为PE线和中性线时,则如图2所示,IEC要求在电气装置的进线处需重复设置这一系统接地。

在上述单电源TN系统内,IEC60364-1新标准未提及变电所系统接地的具体连接位置。

2多电源TN系统内系统接地的设置

大型电气装置只由一个电源供电(例如只由一台变压器供电)的情况是不多的,较多的是装用多个电源供电。在多电源的TN系统中系统接地的设置比较复杂,在IEC60364-1新标准中,一多电源TN 系统的系统接地如图3所示。图中一电气装置由两个电源供电,这两个电源可以是同一个变电所的两台变压器,也可以是分处两地的两个变电所的两台变压器。

注:①不允许电源中性点直接就地接地。

②两电源中性点间的连接线必须加以绝缘,这根线的作用类同PEN线,但不得从这根连接线的回路上连接用电设备。

③只能在此处将此连接线和PE线相连接而实现系统接地,此连接点可在多台变压器的变电所低压配电盘内,也可在电气装置电源进线的总配电箱内。

④电气装置内的PE线可多次重复接地。

IEC60364-1新标准指出如果这种多电源系统设计不当,部分中性线电流将流经不期望的途径返回电源,可能引起电气火灾、地下金属部分被腐蚀以及对信息技术设备的干扰等不良后果。这一不期望的电流被称作杂散电流,如果按图3进行设计,则杂散电流仅限于电气装置的正常对地泄漏电流,其值甚小不足以引起危害。

笔者在文献[2]中引用的IEC60364-1文稿(64/ 1295/CD)列举的双变压器变电所系统接地的设置方案如图4所示。它与图3在①、②、③、④诸处规定的防止杂散电流的要求都是相同的。所不同的只是图 3的涵盖更广,它既适用于两个电源(变压器或发电机)同处一地的情况,也适用于两电源分处两地供电给一个电气装置的情况。

变电所接地装置存在的问题

?简介：变电所的接地是一个看似简单、而实际上却非常复杂又至关重要的问题，它直接关系到人身和设备的安全。由于接地问题而造成的主设备损坏、变电所停运等事故，给电网的稳定运行带来了极大的危害。该文在分析变电所接地网的基础上，提出了相应的改造措施。

?关键字：接地网，接地装置，改造

1变电所接地网存在问题

随着电力系统的发展，接地短路电流越来越大，接地网的问题也越来越突出，接地网的问题往往造成事故或使事故扩大。经对多座变电所的调查分析，其接地网主要存在以下一些问题。

1.1接地网的均压问题

通过对若干座变电所接地网的电位分布测试，发现接地网的均压大多不符合要求，特别是横向电位分布，电位梯度大，跨步电压超标。这是由于在接地网设计时把接地电阻作为主要的技术指标，而忽略了地网的均压和散流、或只用长孔地网而很少用方孔地网计算，特别

是沿电缆沟没有均压措施。由于地网的均压不好，在短路电流或冲击电流入地时就会造成地网的局部电位升高，高压向低压反击烧坏微机控制设备或低压控制回路。

1.2设备的接地与地网之间的连通问题

对于运行中的若干座变电所进行全面检查和试验，发现存在的最大问题不是接地网的各项技术指标，而是变电所内的电气设备与接地网的连接问题，对1座220kV变电所、2座1 10kV变电所和6座35kV变电所的检查，发现110多处设备接地与接地网不通，或连接不良，这里既有变压器、断路器、也有隔离开关、避雷器等，特别是有一座110kV变电所，发现1 10kV电压互感器和避雷器间隔的接地与地网不通，35kV电压互感器与避雷器间隔与地网也不通。这个变电所在此之前曾多次发生雷击时烧坏断路器、隔离开关、互感器和套管，而避雷器不动作。原来这个变电所的避雷器根本就没有与主地网连接。在此种情况下即使避雷器动作，也同样会出现由于接地不良残压高而损坏其他设备。造成上述情况的主要原因如下：

设备的接地引下线与地网焊接不良，焊接头焊口长度不够，且大多为点焊，经过长时间的腐蚀，从焊口处开路。

接地网水平接地体的接头处焊接不符合要求，经过长时间的腐蚀形成电气上的开路。

变电所扩建时没有扩建接地网，而是把新投设备的接地线直接接到电缆沟的接地带。由于电缆沟内阴暗潮湿，容易发生腐蚀，一旦电缆沟内接地带焊接头因腐蚀断开，那么串接的设备接地就失去了与接地网的连接。

设备接地引下线的截面小，经过长时间的锈蚀，从地下锈断。

有些设备接地引下线与设备外壳用螺丝连接，经过长时间会锈蚀，在连接处由于生锈形成开路。

一些设备通过混凝士基础或构架的内筋接地，而这些基础或内筋在施工时又没有进行可靠的电气连接和试验，从而造成了开路。

有的早期变电所接地网的水平接地体因腐蚀已多处锈断，更有甚者，有些变电所根本就没有接地网。

1.3接地引下线及接地体的截面偏小满足不了短路电流的热稳定

经检查这种现象较为普遍，由于接地体或设备的接地引下线不能满足短路电流热稳定的要求，在发生接地短路时，接地引下线往往被烧断，使设备外壳上有较高的过电压，有时会反击到低压二次回路，使事故扩大。有的用户就是因为设备的接地引下线截面不够，在设备发生接地短路时，高压窜入低压回路，烧坏二次保护、控制电缆，使事故扩大。造成接地引下线或主接地体截面不够的主要原因如下：

设计时只考虑当时电网的短路电流，没有考虑到电网的发展，随着接地短路电流增大，以致于设备的接地线已不能满足热稳定要求。

设计时只考虑接地线的截面能满足接地短路电流热稳定的要求，而没有在寿命期内作腐蚀校核。经过若干年的腐蚀，接地线和接地体已不能满足接地短路电流热稳定的要求。

有些变电所是经过若干次扩建而成的，对接地网或扩建部分的接地引下线，在扩建时仅考虑了新增部分，而对原来的地网和接地引下线没有及时进行改造，以致于在一个变电所内，有部分设备的接地线和地网符合要求，而又有一部分接地线和地网不符合要求，这在不断扩建的变电所存在此类问题较多。

对接地问题重视程度不够，如一些设计就没有进行接地短路电流的热稳定校核，而是套用图纸，或者本着减少投资的前提出发，选用截面较小的接地线。

不按图施工，因接地工程是一个隐蔽性工程，一旦施工完就不容易检查，所以有的偷工减料，不按图施工，在新建时留下事故隐患，这种情况在用户变电所的接地工程施工中常见。

1.4接地装置的腐蚀问题

接地装置的腐蚀是一个普遍存在的问题，变电所接地网最容易发生腐蚀的是接地引下线。由于腐蚀，接地线不能满足接地短路电流热稳定的要求，或者形成电气上的开路，使设备失去接地。还有电缆沟内的接地带也容易发生腐蚀，尤其是各焊接头。如果再串接有设备的接地引下线，则会造成若干设备或设备单元失去接地。

1.5水平接地体的埋深不满足要求

标准规定水平接地体要埋深0.6m以下，可是通过开挖检查发现许多水平接地体埋深不足0.3m，有的甚至浮在地表。由于水平接地体埋深不够，往往会造成以下一些不良后果：

接地电阻受季节影响，尤其受土壤干湿度影响较大，由于表层土壤容易干燥，所以造成接地装置的接地电阻不稳定。

由于水平接地体的埋深不够，就影响接地网的均压，在发生接地短路时，地面的跨步电压较大，对巡视人员构成威胁。

上层土壤的含氧浓度高，容易发生腐蚀，这也是水平接地体容易损坏的主要原因。

1.6接地电阻超标问题

在检查时发现有的变电所接地电阻超标，接地电阻超标主要有两方面的原因，一是由于各种条件的限制，在变电所建成时接地电阻就超标，这些情况一般发生在山区变电所等土壤

电阻率较高的地方；二是由于腐蚀使接地网部分和主地网断开，由于腐蚀使接地体的电阻变大。

1.7接地网的运行维护问题

对地面的电气设备，规程都明确规定了大小修周期，即使实行状态检修，也要定期检查和测试设备的各种性能，如不能满足要求就会及时安排大修或小修。但是由于接地装置常被埋在地下，不便于检查，也很少受到人们的重视，即使试验也仅仅是定期测量接地电阻，这样就使许多接地装置带故障运行，有时直到事故发生后，才引起重视。

1.8其他问题

比如接地体所用材质问题、设备的接触电压和微机控制系统的接地问题。这些问题也必须认真对待，及时整改。

2变电所接地装置的改造

一旦发现变电所的接地装置有问题后，就要进行改造，根据所要解决的问题，可以分为降阻改造、均压改造、增容改造以及扩建改造等方案。但无论采用哪种改造方案，都与以下改造措施紧密相关。

2.1防腐措施

2.1.1主接地网的防腐措施

采用降阻防腐剂。降阻防腐剂为弱碱性，pH值为10，而大多土壤为弱酸性，pH值为6，故可减弱对铁元素的腐蚀作用。

采用导电涂料和锌牺牲电极联合保护，这个方法是将接地网涂两遍的涂料，再连接牺牲阳极埋于地下。采用导电涂料能降低接地电阻值，而且能使接地网的接地电阻变化平稳，比一般接地网少投资50%，能保护40年以上。

不同的地域选用不同材料：腐蚀较严重的变电站应选取铜材，腐蚀轻微的变电站宜选用钢材。

采用无腐蚀性或腐蚀性小的土壤回填接地体，并避免施工残物回填，尽量减小导致腐蚀的因素。

提高设计寿命，现在变电所接地装置的设计寿命多为25～30年，显得短了些。新建变电站接地装置的设计寿命应提高到50～60年，从长远看，一方面节省了接地装置改造的投资费用，另一方面也提高了可靠性。

2.1.2接地引下线的防腐措施

涂防锈漆或镀锌。它属于一般的防腐措施。

采用特殊防腐措施。包括在接地体周围，尤其在拐弯处加适当的石灰，提高pH值；或在其周围包上碳素粉加热后形成复合钢体。另外，在接地引下线地下近地面10～20cm处最容易被锈蚀，可在此段套一段绝缘，如塑料等，以防腐蚀。

2.1.3电缆沟的防腐措施

降低电缆沟的相对湿度，使其相对湿度在65%以下，以消除电化学腐蚀的条件。

接地体涂防锈涂料，但目前的防锈涂料只能维持两年左右。

接地体采用镀锌或热镀锌处理。

改变接地体周围的介质。其具体做法是在电缆沟施工中将接地扁钢三面浇注到混凝土中，对于各焊点再作特殊处理，如打磨焊渣、涂沥青或用混凝土覆盖。这样处理可保证在4 0年内，电缆沟中的接地扁钢不被腐蚀或仅有轻微腐蚀。

2.2降阻措施

2.2.1充分利用自然接地体降阻

在接地工程中，充分利用混凝土结构物中的钢筋骨架、金属结构物以及上下水金属管道等自然接地体，是减小接地电阻、节约钢材以及达到均衡电位接地的有效措施。此外，在人工接地网的设计和施工中，为了充分发挥自然接地体的降阻作用，应尽量减少人工接地体对自然接地体的屏蔽作用。

2.2.2外引接地装置

当距变电所1～2km以内有较低电阻率的土壤时，可敷设外接地极来降低接地电阻。特别是一些变电所为了节约耕地，建在山坡上，土壤电阻率比较高。如江苏盱眙县110kV变电所的土壤电阻率高达1500Ωm，且下层土壤的土壤电阻率更高。通常变电所占地面积最大者不超过100×100m2，如想在所内把工频接地电阻降到合格值0.5Ω以下可能性极小。若在变电所1～2km范围内有土壤电阻率比较低的地方（ρ≤800Ωm），则可以在低电阻率的地方铺设专门用于降阻的接地装置，然后用2～3根水平接地体与变电所的人工接地网可靠的连接，起到有效的降低工频接地电阻的作用。特别应说明的是，无论是专门用来降阻的外引接地装置，还是外引连接线，其埋深都要达到1.2～1.5m以下；另外，连接线和外引接地装置的截面还应满足要求，并做好防腐处理。如用1个外引接地装置不能把接地电阻降到合格范围，可根据现场实际情况，设置3～4个引外接地装置。

2.2.3采用深井式接地极

当地下较深处有土壤电阻率较低的地质结构时，可采用井式或深钻式接地极把平面地网做成立体接地网。利用下层低电阻率的地层来降阻，根据地质结构又可分为如下三种情况。

当土壤为均匀土壤，上下层的土壤电阻率ρ值变化不大，但地面由于受面积或地形的限制无法外延，只有向下发展时，可采用深井压力灌降阻剂的方法建成立体接地网。这样，流过大地的电流向垂直和水平方向扩散，在均匀电阻率的土壤中呈半球形等电位面扩散，充分利用电流垂直方向的扩散分量，可将较大的电流引入地的深层。

当土壤为不均匀土壤，土壤在垂直于地面的方向上分层，但下层土壤的电阻率远远小于上层土壤的电阻率时，一般为地下有各类金属矿藏、石墨、煤等的土壤。这时可把竖井打到下层土壤内，充分利用下层较低电阻率的地质层来降阻。此外，为了充分利用下层较低电阻率的地层来降阻，应多布置一些垂直接地极，并且接地极深入下层土壤的深度要大一些，但深井接地极也有互相屏蔽的问题，布局时要尽量减少屏蔽。

土壤为不均匀土壤，但下层的土壤电阻率高于上层的土壤电阻率，这种地质结构多为山区，上层为土壤，下层为岩石。这种情况下，因深井法打井的费用要比水平接地体高许多倍，且降阻效果还没有水平接地体的效果好，应采用外延扩网的办法降阻。

2.2.4扩网及设置水下接地网

如果条件许可的话，扩大接地网面积和设置水下、水底、岸边接地网是降低接地电阻最有效的常用方法。尤其是对于山区变电所，土壤电阻率一般比较高，地方又狭小，当没有办法用扩网来降低接地电阻时，应优先在就近的水中（井水、池水、含盐量较大的河水）建立水下接地网。特别指出的是，对于水下接地网，当水域宽阔时，首先应尽可能增大占用水域的面积，其次才向水域的长度方向发展；另外，水下接地网应与自然接地体保持足够的距离，以减少相互屏蔽的影响。

2.2.5填充降阻剂人工改善土壤电阻率

实践证明，人工改善接地装置附近的土壤电阻率是降低接地网工频接地电阻常用的有效措施。目前改善土壤电阻率的方法是换土法、工业废渣填充法和降阻剂法。其中最常用的是降阻剂法，即在接地体周围埋置长效固化降阻剂。

2.3均压措施

在高压配电装置的地面下，设置水平敷设的人工接地网，接地网的外缘闭合，网内设置均压带；尽可能地将建筑物的钢筋、埋于地下的金属管道以及其他可利用的金属结构物等连成通路，且与接地网可靠连接。采用前一项措施，可将接地网内的最大接触电势降低到（0.

1～0.15）Uw（Uw为接地短路时产生的接地电位）；采用后一项措施，是为了造一个均衡电位接地系统，避免出现危险的电位差。

此外，为使接地网电位分布均匀，设计接地网时应尽量采用方孔接地网或不等间距接地技术，并严格保证施工质量。

3结束语

综上所述，变电所接地工程，是一项非常重要的系统工程，必须加以重视，统筹考虑，并认真分析已发现的以及有可能存在的各种接地问题；同时，还应根据具体的地形、地质情况，综合对比分析各种防腐、降阻措施在功能、成本以及运行维护等方面的特点，从中选择最优方案，并灵活采取多种措施，将接地电阻降至规程规定，从而最终确保变电所的人身和设备安全。