高土壤電阻率地區(qū)發(fā)變電站接地設計

1、高土壤電阻率地區(qū)發(fā)變電站接地設計廣東省電力設計研究院（ 510600）鐘玉秋吳志成【摘要】結合某220kV變電站的實際工程數(shù)據(jù)，通過分析接地設計參數(shù)對地電位、接觸電位差、跨步電位差的影響程度，重點探討目前高土壤電阻率地區(qū)發(fā)電廠、變電站的接地設計問題，以供同行在工程設計中共同探討?！娟P鍵詞】高電阻率發(fā)電廠變電站接地設計 1概述隨著我國城市居民用電負荷的進一步增長，為滿足城市用電負荷分配的要求，越來越多的220kV變電站已作為配電變電站進入城區(qū)，此類變電站的特點是，變電站規(guī)模不大，220kV及110kV高壓電器采用GIS設備，變電站面積小，電力系統(tǒng)容量不斷增大而導致發(fā)變電站接地故障短路電流越來越大

2、。因此造成變電站在接地設計方面的突出問題是接地面積小（500010000m2），土壤電阻率高（一般為5001200m或更高），無可敷設外接接地條件等。發(fā)電廠較變電站有更大的占地面積，但由于土壤電阻率較高，入地電流的不斷增加，接地網(wǎng)的設計也變得較為困難。另DL/T6211997行業(yè)標準在面對當前不斷增長的系統(tǒng)短路容量的條件下，仍維持2000V的地電位規(guī)定值不變，對地網(wǎng)的接觸電位差和跨步電位差容許值的要求更趨嚴格，而根據(jù)最近工程設計情況分析，要求將接地電阻降到DL/T6211997行業(yè)標準的值是十分困難的。本文將結合我國某220kV變電站的實際工程數(shù)據(jù)，重點探討目前高土壤電阻率地區(qū)發(fā)電廠、變電站的

3、接地設計問題。我們知道發(fā)電廠、變電站接地設計的目的主要是設計一個合適的地網(wǎng)滿足電力系統(tǒng)運行要求，保證人身、設備安全。一個低電阻的接地網(wǎng)無疑會對設備安全運行、人身免受有害電擊是十分有利的，但影響建立發(fā)電廠、變電站安全接地的因素很多，在目前電網(wǎng)容量越來越大的今天，即使地網(wǎng)接地電阻很低，也不能保證電氣設備和人身的安全，整體的接地系統(tǒng)的電阻和一個人受到有害電擊并沒有直接聯(lián)系。有著相對低的接地電阻的發(fā)電廠、變電站可能是十分危險的，而有著較高電阻的發(fā)電廠、變電站通過仔細設計地網(wǎng)后會變得更為安全1。下面就高土壤地區(qū)發(fā)電廠、變電站接地設計，探討影響發(fā)電廠、變電站安全接地設計的因素及采取的措施。2安全接地設計的

4、影響因素及解決措施合理的設計一個安全地網(wǎng)，使得發(fā)電廠、變電站有一個低的足夠安全的接觸電位差、跨步電位差、地電位是我們設計安全地網(wǎng)的最終目的。接觸電位差是接地故障電流流過接地裝置時，大地表面形成分布電位，在地表面上離設備水平距離0.8m處與設備、構架等離地面垂直距離1.8m處兩點間的電位差。實際是由于地網(wǎng)網(wǎng)孔的存在形成的網(wǎng)孔內各點對接地網(wǎng)的電位差，我們將網(wǎng)孔中心對地網(wǎng)接地極的電位差（最大值）稱為最大接觸電位差。為了發(fā)電廠、變電站內運行人員操作帶電外殼接地設備時，不造成觸電危險，應將接觸電位差限制在安全值范圍內。接觸電位差的允許值及地網(wǎng)實際接觸最大電位差的計算公式如下接觸電位差（允許值）Ut（V）

5、 Ut= （1）地網(wǎng)最大接觸電位差Utmax（V） Utmax = KtmaxUg （2）式中Utmax最大接觸電位差；Ktmax最大接觸電位差系數(shù)?？绮诫娢徊钍且蝗藘赡_間為0.8m跨距時的地表處的電位差，是由于電力系統(tǒng)的接地故障電流或雷電流流入大地時在土壤中形成的電壓降產(chǎn)生的，其兩點間的電位差受土壤電阻率的影響較大。在均勻土壤中，電阻率越低，其值越小，電阻率越高，其值越大，若土壤電阻率不均勻時，情況將變得更為復雜。但作用于人體的跨步電位差主要受地表面土壤電阻率的影響，見計算公式（3）跨步電位差（允許值）Us（V） Us=（3）地網(wǎng)最大跨步電位差Usmax（V） Usmax = KsmaxUg

6、 （4）式中 Usmax最大跨步電位差； Ksmax最大跨步電位差系數(shù)。地電位是發(fā)生接地故障時，入地電流流經(jīng)接地體在接地網(wǎng)內產(chǎn)生的電位升高，地電位升高產(chǎn)生的轉移電位會危及與之連接的其它系統(tǒng)人身及設備安全，也有可能對本地設備產(chǎn)生反擊電壓危害。地電位是入地電流和接地電阻的函數(shù)。接地裝置電位（地電位）Ug（V） Ug = IR （5）式中I入地短路電流，A； R接地裝置的接地電阻。影響地網(wǎng)上述三個參數(shù)的主要因素很多，但主要有接地故障電流的大小（I）和持續(xù)的時間（t），架空地線分流系數(shù)（K），土壤電阻率()，地表材料電阻率(f)，土壤電阻率的均勻性等因素。下面我們就針對地網(wǎng)設計中三個安全值的要求、影響

7、因素、解決方法逐一分析如下。為進一步說明問題，我們通過一個現(xiàn)有的GW變電站的設計數(shù)據(jù)來分析接地網(wǎng)的設計參數(shù)的影響因素及影響程度。某變電站的接地設計原始參數(shù)如下：接地短路（故障）電流的持續(xù)時間t：0.6s最大入地故障電流（分流后的最大值）I：1.5kA測得的等效均勻土壤電阻率值（考慮季節(jié)系數(shù)）： 500m可用接地網(wǎng)的面積(10992m)S:10028m2表面墊層碎石的電阻率（潮濕狀態(tài)）f：2500m 按DL/T6211997的要求，發(fā)電廠、變電站的電氣裝置的接地“應敷設以水平接地極為主的人工接地網(wǎng)”,GW變電站的地網(wǎng)擬采用有水平接地極和垂直接地極組成的復合接地網(wǎng)。經(jīng)工程計算，GW變電站的規(guī)程允許

8、的接觸電位差、跨步電位差分別為334V、676V。按雙層土壤（f =2500m）考慮計算的接觸電位差、跨步電位差的允許值分別為773V、2483V。而計算的接地電阻為2.5，實際計算的地電位值高達28710V，遠大于規(guī)程2000V的要求，為滿足要求，接地電阻值需降到0.1以下，是原接地電阻的4，也就是將土壤電阻率降到34.8m。那么，在無法降低接地電阻情況下如何使得本變電站的接地網(wǎng)更安全呢？下面就是本文重點討論的問題。2.1接地故障持續(xù)時間對地網(wǎng)設計參數(shù)的影響圖1曲線為接觸電位差、跨步電位差隨接地故障持續(xù)時間的變化曲線。從中看出，故障持續(xù)時間對安全的影響是十分明顯的，因此快速切除接地故障，會使

9、變電站運行將變得更加安全。例如故障在0.1s切除時，接觸電位差、跨步電位差的允許值分別為819V和1657V，而0.6s切除時為334V和676V，允許值均降低到0.1s時的40，可見故障的持續(xù)時間對接觸電位差、跨步電位差影響程度較大，特別是在0.10.9s區(qū)間，效果更加明顯。但從實際情況來看，斷路器的開斷時間，保護動作時間均與設備型式及制造有關，通常是無法改變的，真要改變將花費更大的代價，是不合實際的也是不現(xiàn)實的。 2.2地表電阻率對地網(wǎng)設計參數(shù)的影響圖2表述地表電阻率對接觸、跨步電位差的允許值的影響程度。從圖中看出地表電阻率對跨步電位差允許值的影響大于接觸電位差，可見為了改善跨步電位差的危

10、害，采用隔離措施效果也較為明顯。因此，在實際設計中，可采用高土壤電阻率材料設置操作平臺解決接觸電位差。由于地表土壤電阻率對接觸電位差、跨步電位差允許值的影響較大，采用敷設高電阻率地表材料的方法可減少接地極材料的使用量。例如GW變電站若采用2500m的卵石隔離層時，水平接地扁鋼的數(shù)量需600m（重量2.26t），網(wǎng)孔間距為20m即可滿足跨步電位差要求；若不采用卵石隔離層，則水平接地扁鋼的數(shù)量需20000m（重量75.4t），網(wǎng)孔間距為1m，后者是前者的33倍之多?？梢娫谡嫉孛娣e較小的變電站采用隔離層的方案是比較經(jīng)濟的。但采用卵石等隔離層受雨水影響較大，地面潮濕或下雨時電阻率急劇下降，因此，雨天或

11、潮濕季節(jié)進入變電站操作區(qū)時，宜穿著絕緣鞋。對均勻土壤，地電位與土壤電阻率成線形反比關系，降低土壤電阻率對降低地電位，從而降低接觸、跨步電位差效果是明顯的，若電阻率達到足夠低時，地網(wǎng)會變得較為安全。但實際工程中，不要說將地電阻降到足夠低，即使降低很小的一部分也是十分困難的，且花費較大。前面分析可以看出，為滿足接觸電位差要求，需對GW變電站接地電阻將要從2.5降到0.1，實際是不現(xiàn)實的，也是無法實現(xiàn)的。即使采用大量人力、物力降阻，其實際效果也不明顯，例如，深圳某變電站，未采取降阻措施前測得的接地電阻為3.08，經(jīng)采取接地地溝、換土、加降阻劑、深埋接地等措施，也只將電阻降到2.6，增加投資約70多萬

12、元，可見通過花費大量財力降低接觸電阻是不現(xiàn)實的。即使采用某資料介紹的“爆破接地技術”可將接地電阻降低20%50，也只達到0.621.5，也未達到業(yè)主要求的0.5的值，其接觸電位差降到1243.53108.8V，也不滿足規(guī)范444.1V的要求，更難滿足地電位2000V時電阻達到0.1的要求。另從上面的分析看，土壤電阻率對地電位影響較大，接觸電位差、跨步電位差受地表材料電阻率的影響較大，因此通過采用地表面敷設高電阻率的隔離層的方法，確能較好地解決接觸、跨步電位差的問題。2.3入地電流（或分流系數(shù)）對地網(wǎng)設計參數(shù)的影響由計算公式可知地電位與入地電流成線形正比關系。因此，采取減少系統(tǒng)的接地短路電流，增

13、加接地電流的分流措施，減少入地電流，對有效降低地電位、最大地網(wǎng)接觸、跨步電位差是十分有效地。實際工程中，接地短路電流是由系統(tǒng)容量，系統(tǒng)阻抗及系統(tǒng)運行方式?jīng)Q定的，通過一定的系統(tǒng)調度，可以將兩相接地及單相接地故障電流限制到一定的值，但為了降低地電位去限制系統(tǒng)運行方式，是不可取的。隨著系統(tǒng)容量的不斷增大，接地故障電流不但不減小，反而會增大。為減少入地電流，可行的辦法是增大架空地線的分流作用，減少流入變電站地網(wǎng)中的電流，從而降低地電位。減少線路接地線阻抗或降低架空線桿塔的接地電阻均可增大避雷線的分流作用，但應注意線路塔電位差的影響。2.4地網(wǎng)面積大小對地網(wǎng)設計參數(shù)的影響對于地網(wǎng)面積足夠大的接地網(wǎng)，其接

14、地電阻與接地網(wǎng)面積的平方根成反比，地網(wǎng)面積越大，接地電阻越小，因此在地網(wǎng)設計時考慮增大接地網(wǎng)面積對降低地網(wǎng)電阻是十分有效地。從圖3的變化曲線可以看出，地網(wǎng)面積增大1倍時，地電位及接地電阻均減少30，若采用更低電阻率的土壤部分接地，降阻效果將更加明顯，但從實際工程看，個別靠海邊電廠外，其它發(fā)電廠、變電站很少具備采用增大地網(wǎng)降阻的條件。2.5接地材料數(shù)量對地網(wǎng)設計參數(shù)的影響對一定的接地網(wǎng)，增加接地材料的數(shù)量可降低接地接觸電位差，跨步電位差，特別是對跨步電位差效果更明顯，見圖4所示，是水平接地材料數(shù)量變化對接觸、跨步電位差的影響曲線。主要是因為增加接地材料，特別是增加水平接地體，減小了地網(wǎng)網(wǎng)格間距，

15、地表面的電位分布變得更均勻，網(wǎng)孔中心與接地極間的電位差以及地面0.8m間距處兩點間的電位差減少所致。無論地電位有多高，通過增加網(wǎng)格密度，均可以解決接觸電位差，跨步電位差的問題，例如國外有采用0.6m0.6m金屬網(wǎng)格1做成的操作平臺。但接地材料增加過多，雖然可以解決接觸電位差、跨步電位差超標的問題，但是是不經(jīng)濟的。合理使用接地材料、降低成本是接地設計必須考慮的。綜上所述，通過對電廠、變電站運行的接地網(wǎng)的實際測量以及對新設計地網(wǎng)計算結果看，多數(shù)變電站實測的地電位、接觸電位差、跨步電位差均超過標準值，個別變電站的地電位是允許值的10倍左右，接觸電位差也達67倍4。從GW變電站的計算結果也看出，其地電

16、位更高，為28710V，是2kV地電位規(guī)定值的14.3倍。對于較高地電位的發(fā)電廠、變電站，一味地將其降到安全值，會增加工程投資，是不經(jīng)濟的。對土壤電阻率較高地區(qū)的發(fā)電廠、變電站工程，通常是無法實現(xiàn)的。在這種高電位存在的前提下，如何將地網(wǎng)設計的更安全，是設計工作的難點，也是目前發(fā)電廠、變電站接地設計所面對的現(xiàn)實。3完善地網(wǎng)設計的措施對于采用一定的降阻措施，仍無法將地電位降低到允許值的發(fā)電廠、變電站，接地設計的重點應該是處理好地網(wǎng)的均壓、隔離問題，特別是對地網(wǎng)中“特殊區(qū)域”的設計，才能保證地網(wǎng)的真正安全。3.1地網(wǎng)邊緣的均壓問題發(fā)電廠、變電站接地網(wǎng)的設計均是基于等效的均勻土壤電阻率設計的。實際上，

17、地網(wǎng)的土壤電阻率，無論是水平方向還是垂直方向都是不均勻的。按照DL/T6211997的要求，即使地電位降到2000V以下，不經(jīng)過均壓處理的地網(wǎng)，其接觸電位差、跨步電位差也很難保證滿足要求。例如GW變電站土壤電阻率降到34.8時，其跨步電位差滿足要求，但接觸電位差仍然不能滿足，還需通過地網(wǎng)均壓處理。特別是由于入地電流的邊緣效應，地網(wǎng)邊緣會出現(xiàn)較大的電位差梯度1，這需要設計時重點處理好地網(wǎng)邊緣的均壓問題。防止電位差超標采取的主要措施：(1) 增加地網(wǎng)邊緣處垂直接地極的密度及深度。(2) 在邊緣周圍埋設兩個或更多的水平接地極，并隨著離變電站的距離越遠接地極的深度也加深，即采用“帽檐式”均壓帶。(3)

18、 改變地網(wǎng)水平接地極間的間距，越接近電網(wǎng)邊緣附近，水平接地極間距越密。3.2金屬圍欄的接地問題防止發(fā)電廠、變電站金屬圍欄可能出現(xiàn)的接觸電位差構成的危險?？煽紤]采用絕緣圍欄，或將金屬圍欄與地網(wǎng)連接，若地網(wǎng)在敷設圍欄內，則為了防止站外人員觸擊金屬圍欄，需在發(fā)電廠、變電站圍欄外設置隔離帶，并在圍欄上懸掛“帶電”指示牌；若地網(wǎng)敷設到圍欄外，則要處理好地網(wǎng)邊緣的跨步電位差滿足安全要求。3.3控制電纜的接地問題為防止反擊電壓對電纜及二次設備的損壞，應加強對控制電纜的接地處理。如果電纜線不是很長，只將電纜外皮一端接地可以減少單導線電纜外皮電流。對于長電纜，兩端和連接處的外皮都應接地。為消除感應電勢，屏蔽的控

19、制電纜外皮兩端都應接地。為避免控制電纜的外皮每個接地點的間距太大，故障時接地網(wǎng)上的大電位差會引起外皮中的大電流流過，在電纜外皮兩接地點間平行于控制電纜線單獨裝設一條接地線，將外皮電流轉移。3.4通訊電纜的接地問題為防止轉移電位，需隔離通信線路。通信線路需采取隔離措施，用來確保工作人員以及通信終端設備的安全。為了使變電站通信終端與遠程終端隔離，可以考慮用通信光纜，消除高電位的轉移。3.5低壓供電線路的接地問題為防止轉移電位，隔離低壓中性線。避免將變電站高地網(wǎng)引向用戶引起的危險，在變電站內以及附近，中性線應該當作“帶電”導體，用足以耐受地電位強度的絕緣體將中性線與變電站接地系統(tǒng)隔離，同時，中性線要

20、布置在安全位置，防止工作人員接觸而產(chǎn)生危險，必要時采取隔離措施。3.6金屬管道的接地問題為防止轉移電位，隔離各種金屬管道。管道和金屬導線管應與變電站接地系統(tǒng)連接，以避免在變電站內部產(chǎn)生危險。為防止高電位沿金屬管道傳向遠處，在發(fā)電廠、變電站圍欄處應布置絕緣隔離區(qū)域，其隔離段要足夠長，以避免被附近土壤旁路。絕緣區(qū)必須能夠耐受變電站與遠處大地間的電勢差地電位。4高土壤電阻率地區(qū)接地網(wǎng)設計重點注意事項(1)重視金屬圍欄的接地 發(fā)生接地故障時，由于入地電流的邊緣效應，發(fā)電廠、變電站圍欄附近會出現(xiàn)較高的電位差梯度。無論金屬圍欄是否與地網(wǎng)連接，均存在觸電的危險，特別是高土壤電阻率地區(qū)，情況會更嚴重，應引起地

21、網(wǎng)設計者的重視。(2)重視發(fā)電廠除升壓站部分外的主廠房、輔助車間、輸煤等系統(tǒng)的均壓 此區(qū)域由于設計不重視，接地網(wǎng)孔過大，出現(xiàn)跨步電位差、接觸電位差危險。例如廣東某LNG電廠的地電位計算值為20.8kV，若要將地電位降到2000V，則土壤電阻率要從791m降到76m，在如此低的電阻率土壤中即使不敷設水平接地體均壓，跨步電位差也可滿足要求，但若不采取敷設高土壤電阻率的隔離層，即使地網(wǎng)間距達1m也不能滿足接觸電位差要求。地電位為20.8kV，要敷設網(wǎng)格間距為37m的地網(wǎng)，跨步電位差才能滿足要求。因此為防止運行人員操作設備時接觸電位差的接地，應采取隔離措施。(3)重視GIS的接地 由于GIS易引起金屬

22、對金屬間的接觸電位差，因此GIS外殼很小的電位差都會對人身造成傷害，應引起足夠重視。將GIS的外殼多點連接并接地，是GIS區(qū)域內減小接觸電勢和跨步電勢危險的最好方法。對GIS的接地連接材料尺寸、接地點的設置、外殼電位差的要求，應與GIS制造商配合，重點考慮好直流分量，開關動作、接地故障等暫態(tài)情況下出現(xiàn)的最大電位差，做好GIS的等電位連接。(4)考慮系統(tǒng)容量的發(fā)展 DL/T6211997要求按510年的發(fā)展設計是不合理的，應按發(fā)電廠、變電站的設計壽命考慮1。按前者條件設計的地網(wǎng)隨系統(tǒng)發(fā)展是不安全的。據(jù)相關資料介紹1，若采取后續(xù)補充和完善地網(wǎng)是很困難的，且實施費用會更高。（5）注意土壤電阻率不均勻性的影響 地網(wǎng)設計計算是基于等效的均勻土壤電