接地装置介绍

第一章接地装置的工频接地电阻和
冲击接地电阻
第一节工频接地电阻的基本概念
一、接地的意义
在电力系统中，为了工作和安全的需要，常需将电力系统及某些电气设备的某些部分与大地相连接，这就是接地。

按其作用，可以分为工作接地、保护接地、防雷保护接地和防静电接地。

二、名词术语
工作接地：也叫系统接地，在电力系统中，为运行需要所设的接地(如中性点直接接地或经其他装置接地等)。

保护接地：也叫安全接地，电气装置的金属外壳、配电装置的构架和线路杆塔等，由于绝缘损坏有可能带电，为防止危及人身和设备的安全而设的接地。

防雷保护接地：为雷电保护装置，如避雷针、避雷线和避雷器等向大地泄放雷电流而设的接地。

防静电接地：为防止静电对易燃、易爆，如易燃油、天然气储藏和管道的危险作用而设的接地。

接地极：埋入地中并直接与大地接触的金属导体，称为接地极。

兼作接地极用的直接与大地接触的各种金属构件、金属井管、钢筋混凝土建(构)筑物的基础、金属管道和设备，称为自然接地极。

接地线：电气装置、设施的接地端子与接地极连接用的金属导电部分。

接地装置：接地线和接地极的总和。

接地网：由垂直和水平接地体组成的供发电厂、变电所所使用的兼有泄流和均压作用的网格状接地装置。

集中接地装置：为加强对雷电流的散流作用，降低地面电位梯度而敷设的附加接地装置，一般由3—5根垂直地极组成，在土壤电阻率较高的地区，则敷设3～5根放射形水平接地极。

接地电阻：按地极或自然接地极的对地电阻和接地线电阻的总和，称为接地装置的接地电阻。

接地电阻的数值等于接地装置对地电压与通过接地极流人地中电流的比值。

按通过接地极流人地中工频交流电流求得的电阻，称为工频接地电阻。

三、物理概念
地中有工频电流流散时，工频电流在地中的分布与直流电的分布在原则上是有区别
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的。

但是，由于地的电阻率较大，所以在计算接地体附近的电流时，由于感应电动势引起的电压降与电阻降比较起来可以略去不计，故工频电流的接地计算可以用直流的接地计算来代替。

根据静电比拟法，直流电场的接点电阻计算可以用相应条件下静电场的电容计算来得到。

由高斯定理，穿过任意闭合表面的电位移矢量等于包围在此表面所限定的空间内的电荷，即
由式(1—6)可以看出，接地体的接地电阻与它的电容成反比，ρ和ε决定于地的电气性质。

这种传导电流和位移电流在地中分布的相似性，可以使接地电阻的计算大大简化，并且提出一个极为重要的物理概念——增大接地网的面积是减小接地电阻的主要方法。

一个由多根水平接地体组成的接地网可以近似地当作一块孤立的平板，它的电容主要是由它的面积尺寸来决定的。

附加于这个平板上的有限长度(2～3m)的垂直接地体，不足以改变决定电容大小的几何尺寸，因而电容增加不大，亦即接地电阻减小不多。

只有当这些附加的垂直接地体的长度增大到可以和平板的长、宽尺寸相比时，平板趋近于一个半
第二章发电厂、变电所接地装置
第一节发电厂、变电所接地的意义
发电厂、变电所的接地好坏直接关系到设备和人身的安全，因而愈来愈受到人们的重视，因为发电厂、变电所的接地网不但要满足工频短路电流的要求，还要满足雷电冲击电流的要求。

以前由于接地网的缺陷，曾发生了不少事故，事故的原因既有地网接地电阻方面的问题，又有地网均压方面的问题。

随着电网的发展，特别是发电厂、变电所内微机保护、综合自动化装置的大量应用，这些弱电元件对接地网的要求更高，地电位的干扰对监控和自动化装置的影响不得不引起人们重视。

为了保证发电厂、变电所的接地网的可靠必须着重解决以下问题。

(1)接地网的接地电阻问题，因为它直接关系到工频接地短路和雷电流人地时地电位的升高。

(2)地网均压问题，特别是接地网的局部放电容易向电缆沟内的电缆产生反击造成控制保护设备的损坏引发恶性事故。

(3)设备接地问题，特别严重的是有的防雷设备，如避雷线、避雷器的接地不好，会产生很高的残压和反击过电压，如信阳县llOkV变电所在1992年做地网连通试验时发现，llOkV电压互感器、避雷器间隔与地网不通，llOkV系统与地网不通，结果在那几年，年年雷雨时都打坏设备。

(4)接地线的热稳定，如果接地线的热稳定达不到要求，在接地短路电流流过时，就会把接地线烧断，造成设备外壳带电，还容易发生高压向保护和控制线反击。

如平桥电厂，在1987年7月就发生过一次事故，其原因是由于35kV断路器内短路，而接地线又被烧断开路，造成了高压向保护电缆反击，使继电保护瘫痪，事故扩大。

(5)接地网的腐蚀问题，由于接地装置在地下运行，故运行条件恶劣，特别是在一些潮湿和有害气体存在的地方，或土壤呈酸性的地方最容易发生腐蚀。

腐蚀接地网的电气参数会发生变化，甚至会造成电气设备的接地与地网之间，地网各部分之间形成电气上的开路，因而应受到特别的重视。

第二节发电厂，变电所接地的基本要求
一、发电厂、变电所的接地电阻
1．有效接地系统和低电阻接地系统
有效接地系统和低电阻接地系统中发电厂、变电所电气装置保护接地的接地电阻应符
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合下列要求。

(1)一般情况下，接地装置的接地电阻应符合下式要求
式中(2—1)中计算用流经接地装置的入地短路电流，采用在接地网内、外短路时，经接地装置流入地中的最大短路电流对称分量最大值，该电流应按5—10年发展后的系统最大运行方式确定，并应考虑系统中各接地中性点间的短路电流分配，以及避雷线中分走的接地短路电流。

计算用人地短路电流取两式中较大的I值。

(2)当接地网的接地电阻由于受条件限制，比如土壤电阻率较高，又没法扩大地网，地下又没有可以利用的地层时，可以通过技术经济比较，适当增大接地电阻，但不得大于50，其人工接地网及有关电气装置应符合以下要求：
1)为防止转移电位引起的危害，对可能将接地网的高电位引向、所外或将低电位引向厂、所内的设施，应采取隔离措施。

例如：对外的通信设备加隔离变压器；向厂、所外供电的低压线路采用架空线，其电源中性点不在厂、所内接地，改在厂、所外适当的地方接地；通向厂、所外的管道采用绝缘段、铁路轨道分别在两处加绝缘雨尾板等等。

2)考虑短路电流非周期分量的影响，当接地网地电位升高时，发电厂、变电所内的3～10kV阀式避雷器不应动作或动作后应承受被赋予的能量。

3)设计接地网时，应验算接触电压和跨步电压。

2．不接地、消弧线圈接地和高电阻接地系统
不接地、消弧线圈接地和高电阻接地系统中，发电厂、变电所电气装置保护接地的接地电阻应符合下列要求。

(1)高压与发电厂、变电所电力生产用低压电气装置共用的接地装置应符合下式要求
第三章送电线路杆塔接地装置
第一节架空线路杆塔接地的意义及要求
一、架空线路杆塔的意义
架空线路杆塔接地对电力系统的安全稳定运行至关重要，降低杆塔接地电阻是提高线路耐雷水平，减少线路雷击跳闸率的主要措施。

由于杆塔接地电阻高而产生的雷击闪络事故相当多，典型的有500kV天平I、Ⅱ回输电线路，由于大部分位于山区、地质条件较差，许多杆塔的接地电阻不合格，有不少杆塔的接地电阻在100Ω以上，造成线路耐雷水平低，经常发生雷电绕击、反击，使线路跳闸，影响了电网的安全稳定运行。

经对线路杆塔接地进行了降阻改造，使线路雷击跳闸率得到了有效的控制。

又如，信阳110kV信李线，由于部分杆塔的接地电阻不合格，在1992年和1993年多次发生雷击眺闸事故。

特别是110kV平宝线，因线路的部分杆塔要经过雷电流活动强烈的震雷山，杆塔的接地电阻又不合格，高的达100Ω以上，因而在1995年前，每年都要发生雷击跳闸，有的一年发生多次跳闸，1996年对接地电阻不合格的杆塔接地进行了改造，改造后的5年间没有发生一次雷击跳闸事故。

因此可见，降低杆塔接地电阻，使之达到合格范围，对防止雷击跳闸，保证电网安全是非常重要的。

二、架空线路杆塔接地的标准要求
对架空线路杆塔的接地电阻和型式在电力行业标准DL／T620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》、L／T621—1997《交流电气装置的接地》中都提出了具体的要求。

是设计、安装和改造架空线路杆塔接地的依据。

1．杆塔的接地电阻
(1)有避雷线线路杆塔的接地电阻。

有避雷线的线路，每基杆塔不连避雷线时的工频接地电阻，在雷季干燥时，不宜超过表3—1所列数值。

雷电活动强烈的地方和经常发生雷击故障的杆塔和线段，应改善接地装置，适当提高绝缘水平或架设耦合地线。

(2)无避雷线线路杆塔的接地电阻。

对于中雷区及多雷区35kV及66kV无避雷线
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路，宜采用措施，减少雷击引起的多相线短路和两相异地接地引起的断线事故，钢筋混凝土杆和铁塔应充分利用自然接地作用，在土壤电阻率不超过100Ω·m或有运行经验的地区，可不另设人工接地装置。

1．壤需要说明Ω的是，作为通用行业标推，对杆塔接地电阻的要求是比较宽松的。

在多雷区，如是联络线路或重要线路，杆塔接地电阻最好能处理到10以下，因为只有这样才能提高线路的耐雷水平，有效地限制雷击跳闸率，从而保证电网的安全稳定运行。

2．杆塔接地型式
L/T621—1997《交流电气装置的接地》的6．3条还对高压架空线路杆塔接地装置的型式做了具体的要求如下：
(7)在高土壤电阻率地区采用放射形接地装置时，当在杆塔基础的放射形接地地极每根长度的1．5倍范围内有土壤电阻率较低的地带时，可部分采用引外接地或其他措施。

(8)雷电活动强烈的地方和经常发生雷击故障的杆塔和线段，应改善接地装置，架设避雷线，适用加强绝缘或架设耦合地线。

(9)钢筋混凝土杆铁横担和钢筋混凝土横担线路的避雷线支架、导线横担与绝缘子固定部分或瓷横担固定部分之间，宜有可靠的电气连接并与接地引下线相连；主杆非预应力钢筋如上、下以用绑扎或焊接连成电气通路，则可兼作接地引下线。

利用钢筋兼作接地引下线的钢筋混凝土电杆，其钢筋与接地螺母、铁横担间应有可靠的电气连接。

(10)35kV及以上线路互相交叉或与较低电压线路、通信线路交叉时，交叉档两端的钢筋混凝土或铁搭、(上、下方线路共4基)不论有无避雷线，均应接地。

第四章降低发电厂、变电所接地装置工频接地电阻的措施
第一节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。

在发电厂、变电所可以利用的自然接地体有：
(1)水电站主厂房水下的钢筋混凝土。

(2)水电站地下压力钢管或钢筋混凝土管。

(3)各类钢筋混凝土基础或钢板衬砌的竖井。

(4)钢筋混凝土或用钢板衬砌的地下式厂房。

(5)架空输电线路的“地线一杆塔”接地系统。

(6)埋于地下的金属自来水管和有金属外皮的电缆。

(7)发电厂、变电所主控楼，或高压配电室的钢筋混凝土地基。

在利用这些自然接地体时，事先应做好规划，在施工时应对这些钢筋混凝土内的钢筋的连接，以及引出与人工接地网的连接都预先做好计划，施工时同步进行。

在人工接地网的设计和施工时，为了充分利用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。

第二节外引接地装置
当距发电厂、变电所2000m以内有较低电阻率的土壤时，可敷设引外接地极，特别是一些变电所为了节约耕地，一般都建在山坡上，而这样地方的土壤大都为风化石土壤，或者为多岩山地，土壤电阻率一般都比较高，如辱源县的桂头110kV变电所土壤电阻率高达4800—5200Ωm，洛阳110kV所的土壤电阻率高达150012·m，翁源所的龙仙
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llOkV变电所土壤电阻率高达1500Ω·m，且下层土壤的土壤电阻率更高。

变电所占地面积最大者不超过lOOm×lOOm，如在所内把接地电阻降到合格值0．5Ω以下几乎是不可能的。

但这三座变电所在2km的范围内都有土壤电阻率比较低的地方(ρ≤800·m)，因而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根水平接地体与发电厂、变电所的人工地网可靠地连接起来，可以起到有效地降低工频接地电阻的作用。

这里需要特别说明的是，无论是专门用来降阻的外引接地装置，还是引外连接线(水平接地体)，其埋深都要达到1．2～1．5m以下。

因为这样才能不影响农民的耕作，使接地体免遭破坏。

另外，连接线和外引接地装置的截面还要满足要求，并做好防腐处理。

如一处外引接地装置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。

第三节采用深井式接地极
当地下较深处有土壤电阻率较低的地质结构时，可用井式或深钻式接地极。

把平面地网做成立体地网，利用下层低电阻率的地层来降阻，根据地质结构分为如下三种情况。

(1)当土壤为均匀土壤，上下层的土壤电阻率ρ值变化不大，但地面由于受面积的限制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地网，其施工图如图4—1所示。

这时流过大地的电流，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。

(2)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P2远远小于上层土壤的电阻率ρ1，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如图4—1所示。

图中表示有两口深井的情况。

第五章接地装置的运行与发热
第一节接地装置的工频电位
一、稳态电位
发生接地短接时，接地网的稳态电位升高等于短路电流和接地网接地电阻的乘积
式(5—1)中计算用的入地短路电流，是指单相或两相接地短路电流的周期分量初始有效值。

在计算这一分量时，一般不考虑接地短路点存在过渡电阻或接地电阻，按金属性短路考虑。

按式(5—1)计算的接地电位，是没有考虑瞬间变周期短路电流的衰减的，因而用来验算接触电势和跨步电势是安全的。

二、暂态电位
计入短路电流非周期分量的影响后，接地网的工频暂态电位升高为
三、暂态电阻
接地短路发生在接地网的最初瞬间，接地网的电位并不决定于流经接地网人地短路电流的大小，而是由电压波的折、反射过程来决定的。

当三相母线中的任何一相母线的电压刚达到幅值，而恰巧就是这一相母线发生接地短路时，接地网的瞬间电位升高最为严重。

这时，相当于一个幅值为工频相电压的直角波投射到接地网上，接地网的瞬间电位等于折射波的大小。

参照图5—1，应用彼德逊规则，可以写出接地网上的瞬间电位为
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由此可见，接地网的瞬时电位比工频稳态电位大得多。

它和雷击时接地网冲击电位的作用相似；会使设备受到冲击反击过电压的作用，有可能使电子元件损坏。

当然，这—电压波的折、反射过程十分短暂，很快就转变为工频短路过程，接地网的电位变为计人短路电流非周期分量的工频暂态电位，再迅速衰减到由短路电流周期分量起始有效值决定的工频稳态电位。

由于上述原因，在作工频接地短路试验时，在接地短路点串人的电流互感器，除按接地网的暂态电位选择电流互感器的电压等级外，还应验算接地：网的瞬时电位，否则有可能发生严重的闪络事故，危及人身设备安全。

由于短路电流非周期分量的大小，与接地短路的电压相角有关，当瞬间电位为最大时，暂态电位就是考虑它们最严重的情况，而不是指同一个电压相角的时间前／后出现的两个电压最大值。

第二节地网电位升高及其限制措施
接地短路发生在接地网内时，流经接地网的入接短路电流产生的接地电位为
分析式(5—2)可以知道，为了使接地电位升高及其地面上的电位分布不至于达到伤害人体的程度，可以采用下述措施；
一、对接地电位升高的限制
(1)增大系统零序阻抗，减小接地短路电流，例如断开系统中部直接接地的变压器中
第六章接地装置的腐蚀及防腐措施
第一节接地装置的腐蚀机理分析
接地装置长期运行在地下，运行环境恶劣，最容易发生腐蚀。

接地装置的腐蚀，按环境分类，主要是属于自然环境下的腐蚀；按腐蚀机理分主要属于化学腐蚀和电化学腐蚀。

一、化学腐蚀
化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接发生纯化学作用而引起的破坏。

其反应过程的特点是金属表面的原子与非电解质中的氧化剂直接发生氧化还原反应，形成腐蚀产物。

腐蚀过程中电子的传递是在金属与氧化剂之间直接进行的，因而没有电流产生。

纯化学腐蚀的情况不多。

主要为金属在无水的有机液体和气体中的腐蚀以及在干燥气体中的腐蚀，对接地装置来说，主要是接地线在空气中的腐蚀。

二、电化学腐蚀
电化学腐蚀是指金属表面与离子导电的介质(电解质)发生电化学反应而引起的破坏。

任何以电化学机理进行的腐蚀反应至少包含一个阳极反应和一个阴极反应，并以流过金属内部的电子流和介质中的离子流形成回路。

阳极反应是氧化过程，即金属离子从金属转移到介质中并放出电子；阴极反应为还原过程，即介质中的氧化剂组分吸收来自阳极的电子过程。

可见，与化学腐蚀不同，电化学腐蚀的特点在于，它的腐蚀历程可分为两个相对独立并可同时进行的过程。

由于在被腐蚀的金属表面上存在着空间或时间上分开的阳极区和阴
极区，腐蚀反应过程中电子的传递可通过金属从阳极区流向阴极区，其结果必有电流产生。

这种因电化学腐蚀而产生的电流与反应物质的转移，可通过法拉弟定律定量地联系
起来。

由上述电化学腐蚀机理可知，金属的电化学腐蚀实质上是短路的电偶电池作用的结果。

这种原电池称为腐蚀电池。

电化学腐蚀是最普遍、最常见的腐蚀。

金属在大气、海水、土壤和各种电解质溶液中的腐蚀都属此类。

电化学作用既可单独引起金属腐蚀，又可和机械作用、生物作用共同导致金属腐蚀。

当金屑同时受拉伸应力和电化学共同作用时，可引起应力腐蚀断裂。

金属在交变应力和电化学共同作用下，可产生腐蚀疲劳。

若金属同时受机械磨损和化学作用，则可引起磨损腐
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蚀。

微生物的新陈代谢可为电化学腐蚀创造条件，参与或促进金属的电化学腐蚀，称为微生物腐蚀。

三、腐蚀电池的电极过程
1．阳极过程
腐蚀电池中负极性的金属为阳极，发生氧化反应。

因此，阳极过程就是阳极金属发生电化学溶解或阳极化的过程。

水溶液中阳极溶解反应的通式为
金属的溶解与极性水分子的水化作用是分不开的。

图6—1为晶格中的原子转入溶液的示意图。

金属结构主要有面心立方，体心方及密徘六方三种。

金属原子位于晶格点阵上，只能在结点附近振动。

金属原子要离开金属表面，必须使垂直于表面方向的振动能足够大，以便克服静电力。

据计算，金属原子进入真空的能量约需6000kJ／mol。

因此，即使在高温下，大多数金属在真空中并不蒸发。

但是，当金属浸入水溶液中，由于水分子为强的极性分子，且处于不停的热运动中，使处于表面边角处的金属原子首先受到水分子的吸引，由晶格迁移到表面，变成吸附原子。

在双电层电场的作用下，进一步变成水化阳离子，金属阳离子在晶格中的位能较高，而它们在溶液中的水化离子位能较低。

因此，金属离子的水化过程伴随着能量降低，是一个自发过程。

对于完整晶体的阳极溶解总是开始于晶格的顶端或边缘。

而工业金属常存在异相析出或非金属夹杂，它仍会引起晶格畸变，能量增高，使该处的金属原子容易溶解到溶液中去。

同样，晶格缺陷，如位错的露头点，滑移台阶处，也容易溶解。

溶液中的某些组分也容易吸附到这些晶体缺陷处，起到加速或抑制阳极溶解的作用，当吸附的溶液组分能与金属离子生成吸附络合物时，可降低阳极溶解活化
第七章降阻剂应用研究
第一节降阻剂的降阻机理
大量的工程实践证明：使用降阻剂是降低接地装置接地电阻的有效措施，DL/T621--1997《交流电气装置的接地》之6．1．3条规定：在高土壤电阻率地区，可采取下列降低接地电阻的措施：
(1)当发电厂、变电所2000m以内有较低电阻率的土壤时，可敷设引外接地极。

(2)当地下较深处的土壤电阻率较低时，可采用井式或深井接地极。

(3)填充电阻率较低的物质或降阻剂。

(4)敷设水下接地网。

GB50169—92《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》之第2．2．6条也对降阻剂的使用提出了要求。

最近随着降阻剂的成功应用，降阻剂的降阻效果为人们所接受，但是，由于降阻剂市场较为混乱，在降阻剂的使用上也出了一些问题，一些厂家出于商业目的，又过分抬高了降阻剂的降阻效果，实际情况并非如此。

接地装置的接地电阻与许多因素有关，对于大型地网存在着屏蔽和散流的问题，降阻剂的降阻效果是通过一定的设计和施工体现出来，并不像一些厂家宣传的那样，加降阻剂的效果就能把接地电阻降到百分之多少。

因此，有必要对降阻剂的降阻机理、性能特点和使用中应注意的问题进行认真的讨论。

降阻剂的降阻机理有以下几个方面。

一、增大接地体的有效截面
1．半球形接地体
接地体周围施加降阻剂后扩大了接地体的等效体积，对于一个半径为r的半球接地体而言，其接地电阻的50％集中在自接地体的面至距球心2r 的半球面内，如果将r至2r范围内的土壤电阻率降低，就可以使接地电阻大大减小。