变电站接地网设计

刍议变电站接地网设计
摘要: 近年来电力系统运行电站因接地网事故造成设备损坏
供电中断的事故频有发生，其直接或间接损失数以亿元计，但尚有大量变电站地网存在着设计及施工缺陷，严重地影响了电网的安全稳定运行，同时与直接威胁到设备和人员的安全。

因此，接地问题越来越受到重视。

为保证电力系统的安全运行，本文作者从设计的角度谈谈变电站接地网设计中的有关问题，并提出自己的一些建议，供同行及相关人士参考、指正。

关键词:变电地网接地电阻接地材料设计
随着电力系统容量的不断增加，流经地网的入地短路电流也愈来愈大，输变电工程地网在系统中发挥着越来越重要的作用，担负着确保电力设备、运行人员安全及维护系统的可靠运行的作用。

在输变电工程设计中，往往忽视了接地系统的重要性，往往视为一项简单而粗糙的辅助工程，缺乏应有的足够重视。

同时经济的发展也不断压缩了电力用地空间，以沿海地区为例，按照经济发展需要大量电力设施予以配套，而规划预留的电力用地面积通常较小或者分布于边坡山角，地质土壤条件较差，给输变电地网设计及施工带来了很大困难。

本人以变电站接地网为例，就设计施工中经常遇到的一些问题，进行分析与讨论，希望引起广大相关人员的重视并对其有所帮助。

1 变电地网设计过程中地网接地电阻的计算
变电工程地网设计通常以计算为依据确定技术方案，计算的准确与否直接关系到实际接地效果，并影响运行的安全可靠性地网施工属隐蔽工程，通常与土建施工同时进行，一旦不能满足设计要求，采用补救措施相对困难，并会影响整个工程的进度，因此如何提高计算的准确度，以此为依据进行地网设计，确定恰当的技术方案，是地网设计要解决的根本问题。

目前接地电阻计算常用公式均为经验公式，虽来源于工程实践，对地网设计具有一定的指导作用。

但不同站址的土壤地质、气候等各个方面千差万别，公式的应用有很大的局限性。

因此针对不同的工程情况应对计算结果进行适当的修正，以确保设计方案的适用性。

1.1 接地电阻标准值的确定
目前电力系统110kv 及以上电压等级电网均采取中性点有效接地方式，对于大电流接地系统变电站地网考虑季节变化因素后的最大接地电阻，按照sdj8-79 ，《电力设备接地设计技术规程》对接地电阻有着明确的要求，接地电阻不大于0.5ω实际工程设计中，以计算结果为基础确定设计方案，并预留一定裕度以弥补施工的偏差。

实际工程设计中接地电阻标准值采用就高不就低的原则，通常计算值大于0.5ω时按不大于0.5ω要求，计算值小于0.5ω时按实际计算值来要求，笔者认为也是恰当的。

1.2 入地电流的计算
按照dl/t621-1997《交流电气装置的接地》附录b，入流电流的计算公式如下
i=(imax- )(1-ke1)（1）
i= (1-ke2)（2）
其中: imax为最大单相接地短路电流；
为流经变压器中性点的接地短路电流；
ke1为站内短路时的避雷线的分流系统；
ke2为站外短路时的避雷线的分流系统。

对于发电厂升压站，一般站外出口短流电流最大；而对于电网降压站站内单相接地短路故障时入地电流通常最大，所以我们下面仅以针对电网降压站站内单相短路进行分析。

发电厂升压站短路电流容量可分为两个部分：电网提供短路容量和电源提供短路容量；而对于电网降压站其短路容量完全来自电网侧，工程计算中可以视为零值，认为全部短路电流经大地及避雷线返回电源，此时式
(1)即变换为:
i=imax（1－ke1)（3）
如图1 所示电网提供的最大单相短路电流于故障点发生了分流，因为单相接地零序回路必须以大地为通路，所以一部分由故障点直接经地网入地(表示为ik)，另一部分经变电站零序序网流入地网即。

那么按照上述分析可以得出一个与式（2）不同的公式，此
时入地电流应该表示为
i=（ik＋）（1－ke1）＝imax（1－ke1) (4)
实际上式(3)与(4)结论是一致的，站内短路时全部短路电流流入地网，然后再由避雷线及大地进行电流分配。

由此也可以分析出为什么对于降压站站外短路通常比站内短路时入地电流要小。

1.3 接地电阻值计算及降阻措施
地网接地电阻由三部分组成：接地体与周边土壤的接触电阻、大地电阻、接地体的电阻、相邻接地体间相互屏蔽产生的互电阻。

其中大地电阻和接地体电阻可忽略不计，而接地体间的互电阻往往也被忽视，其实计算的偏差很大程度上来源于此。

地网设计通常以水平接地为主，垂直接地极为辅组成复合接地主网，其接地电阻计算公式如下:
r＝（3㏑）（5）
b＝(6)
其中:r ——任意形状边缘闭合接地网的接地电阻
l0 为接地网的外缘干线长度米；
s 为地网的面积米2；
d 为接地干线有效长度米；
l 为水平接地干线总长度米；
h 为接地体埋深米。

水平地网的接地电阻值很大程度上取决于地网的面积，但城市周边变电用地面积往往较局促，因此常采取扩大地网及外引接地体、设置接地深井、施放降阻材料等措施。

扩大地网及外引接地体虽降阻效果明显，但制约于用地面积，如外扩超出征地红线，则无法保证此部分地网的安全。

一些工程设计及施工当中，为达到验收目的，常采取此类措施，有时工程刚刚投产，外扩部分即被破坏，给系统运行埋下极大隐患，所以要慎重考虑。

设置并联接地深井非常有效，可以根据工程具体情况确定深度及并联数量，其接地电阻计算公式如下
rv＝（3-3）
其中:rv 为深井接地电阻；
d 为深井有效直径 m；
l 为垂直接地极长度 m；
为土壤电阻率 m。

可采用扩径钻孔，充填降阻剂以增大导体有效直径降低深井接地电阻；处于高电阻率土壤或基岩区时采取孔底爆破致裂法增强与土壤接触效果；接地深井一般可以深入含水层，增加接地井的深度对降阻效果明显；但对于基岩较厚的站址，不宜采用深井。

设置深井的复合地网接地电阻值最终为:
）(3-4)
其中:为复合地网各部分之间的屏蔽系数，通常为1.3～1.4。

电流通过接地体向大地散流时，会受到其他接地体散流作用的影响，它们之间存在着一个互电阻。

计算若按简单并联而忽略屏蔽效应，则会造成很大的偏差。

另外根据周边的具体情况，可以采取斜向接地竖井，采用先进非开挖钻机设备使接地井向主网外方向45或60度倾斜，深入到道路及周边设施基础下方深处，充分利用大地立体空间，既扩大了地网面积，又可减小了屏蔽系数。

2 接地降阻材料应用及接地极防腐措施
2.1 接地材料及存在问题分析
目前使用的降阻材料有降阻剂、接地模块、电解离子接地极等，并已经在工程中得到了较为广泛的应用。

降阻剂通常以对金属有较强亲合力的胶凝物为基料，凝固后形成立体网状结构，在其中加入一些导电的颗料，化学降阻剂以电解质导电为主体，而物理降阻剂则以非电解质粉末如木炭、石墨及金属粉末为导电材料降。

阻剂的降阻机理一般有以下几个方面:
(1)随着降阻剂的扩散和渗透作用，降低接地体周围的土壤电阻率。

(2)扩大了接地体金属接地体的有效截面，增大与土壤的接触面
积，降低了接触电阻。

目前对降阻剂在工程应用中反应最为强烈的有以下问题：
(1)对接地体的腐蚀问题。

降阻剂虽然短期内起到了一定的降阻作用，但降阻剂对金属接地体均存在不同程度的腐蚀性，尤其是包裹降阻剂的地线与未包裹部分的交界部位会产生严重电化学腐蚀。

(2)降阻稳定性与长效性问题。

部分厂家追求短期的降阻效果，加入了大量的无机盐类，但随着电解离子迅速流失而失去降阻效果，地网接地电阻迅速反弹回升。

2.2 接地模块
接地模块也是目前常用的一种降阻材料，它是一种以非金属材料为主体的接地体。

它由导电性、稳定性较好的非金属矿物质和电解物质组成。

经过市场调研，目前国内市场的接地模块产品材料成分与降阻剂相似，是把降阻剂事先预制成不同形状模块，使用时直接埋设并与接地干线可靠连接，所以接地模块存在的问题与降阻剂基本相同。

2.3 电解离子接地极
电解离子接地极是在管状接地体内部加入负离子填充剂，作为一个离子发生装置，产生的离子不断扩散到周围的土壤中，从而达到接地降阻要求填充剂有良好的渗透性能，深入到泥土及岩缝中，形成树根网状，增大了泄流面积。

目前电解离子接地极的市场价格较高，每根长2.5-3.0m 约1 万元人民币，并且由于电解离子接地极依靠释放离子来实现降阻，其长效性难以保证，同时也增加了土壤对接地体的腐蚀作用。

综上所述，各种降阻材料最大的问题是长效性和对金属接地体的腐蚀作用，设计中要慎重选择降阻材料，不仅考虑短期的降阻效果，更要保证长期的可靠性。

2.4 接地极防腐措施
电力部门曾经对各地运行10年以上变电站地网开挖检查，发现接地导体腐蚀较为严重。

目前变电站设计运行年限均不小于30年，地网寿命周期也应与之一致。

因此需对地网采用适当的防腐措施，常用的方法主要有采用铜质接地材料、导电防腐涂料、牺牲阳极法和外加电源法等，以上方法在国内电力工程领域已有采用。

3 结束语
变电地网对电力系统的安全运行发挥着越来越重要的作用，应该引起设计人员的足够重视。

接地计算对地网设计具有重要的指导作用，应根据计算进行地网方案优化设计，以确保变电地网的降阻效果。

各种降阻材料能有效降低接地电阻的同时，也对地网的运行带来了很多的负面影响，因此设计中应根据各种降阻材料的不同特点，谨慎选择，并采取必要的防腐措施。