有效接地系统中变电所的接地设计探讨

张卓为，王向平

(1. 浙江省电力设计院，浙江 杭州 310014；2. 华东电力设计院，上海 200063)

有效接地系统中变电所的接地设计探讨

张卓为，王向平

(1. 浙江省电力设计院，浙江 杭州 310014；2. 华东电力设计院，上海 200063)

110kV～500kV系统常采用有效接地系统，110kV及220kV系统中变压器中性点直接接地或经低阻抗接地，部分变压器中性点也可不接地；330kV及500kV系统中不允许变压器中性点不接地运行。文章对有效接地和低电阻接地系统中的变电所接地要求加以梳理，并结合工程实例对变电所的接地设计进行了分析探讨，结合国家电网公司“两型一化”变电站设计建设导则，提炼出变电所接地设计的主要考虑思路及解决方案。

有效接地；直接接地；低阻抗接地；两型一化；二次系统。

目前，浙江省内220 kV～500 kV变电所通常为有效接地或低电阻接地系统。本文对有效接地和低电阻接地系统中的变电所，讨论了接地系统设计的主要思路。关于设备接地引线，规程实施要求较为明确，本文不作详细论述。

变电所的接地处理直接关系到设备和人身的安全。变电所的接地网要满足工频短路电流、雷电冲击电流的要求，满足监控和自动化装置等弱电元件安全稳定运行的地电位要求。

变电所的接地设计需要按照相关规程规定，并需根据工程特点进行优化设计考虑。

1 高阻地区变电所接地设计思路

对有效接地和低电阻接地系统中的变电所，电气装置保护接地的接地电阻首先应考虑是否符合下式要求：

R=考虑季节变化的最大接地电阻，Ω；I=计算用的流经接地装置的入地短路电流，A。

对高阻地区变电所一般不能满足上述要求，为此还应按下列方式考虑：

可通过技术经济比较增大接地电阻，但不得大于5 Ω，且应符合下列要求：

⑴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厂、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鱼尾板等等。

⑵考虑短路电流非周期分量的影响，当接地网电位升高时，发电厂、变电所内的3～10 kV阀式避雷器不应动作或动作后应承受被赋与的能量。

⑶应验算接触电位差和跨步电位差。

对要求⑴，在地电位大于2000 V时按要求采取措施即可。例如浙江220 kV青田变，地电位为16800 V，其设有一台所外给水泵，则要求所外给水泵的380 V动力电源经设在主控楼中的隔离变压器后再经10 kV电缆爬至围墙，再用架空绝缘线路(对地绝缘能耐受 16800 V工频过电压)引出至给水泵房。对给水泵的控制回路需采取隔离措施后才能引出所外或将其控制回路不引入所内。

对要求⑵，应予以核算。例如浙江500 kV市北变电所，考虑采用10 kV所外电源，需对引至该所外电源线路上的10 kV避雷器，应予以核算。根据，10 kV避雷器在暂态电压作用下不应动作，要求全场地网工频接地电阻值为：

式中：Ugf为避雷器工频放电电压下限值26 kV；Uxge为标称相电压(10/3=5.77 kV)；I为入地电流，kA。

当按1Ω要求控制时，Ugf经计算远大于26 kV，显然该避雷器将损坏。因此，设计方应指出该隐患,并建议采用35 kV所外电源。

对要求⑶，应验算接触电位差和跨步电位差。变电所接地网为以水平网格状接地体为主，垂直接地体为辅的复合接地网。水平接地网为了均匀地表电位分布和适宜设备接地引上线的需要，通常采用接近方孔式的网格，也可采用不等距网格。水平接地网的外缘应闭合，外缘各角应做成圆弧形。圆弧的半径宜大于均压带间距的一半，外缘经常有人出入的走道处应敷设“帽檐式”均压带。按计算水平接地网的最大接触电位差和最大跨步电位差。

实际上，最大接触电位差和最大跨步电位差仅仅发生在水平接地网的局部，不必要求整个接地网均按此值校核。根据《电力工程电气设计手册电气一次部分》，接地网内的最大接触电势，发生在边角网孔上，最大跨步电势发生在接地网外直角处，且距接地网外缘距离为(hp－0.4)和(hp+0.4)的两点间(hp为埋深，单位m)。由于接地网内绝大部分地区的接触电势都要比边角网孔的接触电势小，因此只要在这些边角网孔的地区，适当加强均压，或敷设高电阻率的地面层，就可以相当安全的用边角网孔沿接地网对角线相邻的网孔电势来设计。对方格网孔而言，次边角网孔电势比边角网孔电势小30%左右。

通过数值模拟仿真软件CDEGS，按实际工程情况模拟分析其接地网格内外的电位差，有同样的结论，最大跨步电势位于水平接地网边角外侧，最大接触电势位于水平接地网边角地带，且均比邻近的次边角网孔电势大30%以上，见图1、图2。

因此，对跨步电势或接触电势的峰值地带，即接地网边角内外侧，可以单独采取均压或敷设高电阻率地面层等措施，使该区域的接地网能满足跨步电势和接触电势的要求。设计中将主接地网最外围2周间距减小到2 m，主接地网边缘埋设垂直接地极，都是这类措施。再例如，对土壤电阻率2700 Ω·m的浙江220 kV青田变电所，为了减小围墙墙角外电位分布梯度，在围墙墙角外2m处(地网外)，采用镀锌扁钢做一个与接地网无电路连接的辅助均压带；对土壤电阻率600 Ω·m的浙江220kV荷花变电所，在围墙以内10 m范围内采用碎石铺设，铺设厚度不小于20 cm。

因此，可总结如下的设计思路：当变电所接地电阻按1 Ω要求控制，变电所跨步电势仍不满足要求，且进一步降低接地电阻至跨步电势满足要求的费用较高显示经济性不合理时，可在配电装置场地采用碎石、卵石或灰土封闭等地坪处理方式，对全所铺设碎石，铺设厚度不小于20 cm，所内道路及操作小道采用水泥配筋路面(钢筋混凝土路面)。采取该措施后，地表面电阻率可取2500 Ω·m。此时变电所接地电阻按1 Ω控制，大部分工程跨步电势均能满足要求。

当采取上述措施后，如验算接触电势仍不满足要求，可在隔离开关操作机构、设备本体、支架机构等四周0.6 m处敷设局部闭合接地线，埋深0.3 m，并与设备支构架的接地引下线相连。

2 采取所外线路避雷线分流的设计思路

对高阻地区变电工程，针对入地电流最大的短路工况，可通过加强所外线路的分流，减少流入变电所内接地电流的措施，按式1进行复核。

例如，对土壤电阻率2700 Ω的220 kV 青田变电所，为加强接地网内短路时所外避雷线的分流系数，要求凡尚未开通地线载波的220 kV、110 kV线路，在距所区2 km范围内将避雷线逐塔重复直接接地。凡尚未架设避雷线的线路，避雷线在距所区 2km范围内采用良导体逐塔重复直接接地。所有线路的杆塔应尽可能降低接地电阻以加强分流作用。220 kV、110 kV线路的避雷线引接到所内门型构架上后应与主接地网相连，但应有便于分开的连接点以便测量接地电阻。对35 kV线路避雷线一般只架设到线路终端杆塔为止不引接至出线门型架构，35 kV线路从终端塔到变电所门型构架这段无避雷线保护的进线段由线路设计单位考虑防直击雷的设计。

3 独立避雷针接地装置的的设计思路

对变电所的独立避雷针，宜设独立接地装置，在非高土壤电阻率地区，其接地电阻不宜超过10 Ω。应在基础开挖时敷设并实测接地电阻，如达不到不大于10 Ω的要求，可根据现场情况延伸接地体。如仍有困难，接地装置可与主接地网连接，但避雷针与主接地网的地下连接点至35 kV及以下设备与主接地网的地下连接点之间，沿接地体的长度不得小于15m。独立避雷针及其接地装置与主接地网或道路的地中距离不宜小于3 m，对达不到要求的道路应均压措施，可敷设沥青路面。

对高阻地区工程，可以在独立避雷针接地装置处设20 m深接地浅井或设2～3个电解离子接地极，以降低雷电流幅值，提高整体的耐雷水平。

4 二次系统接地电阻要求考虑

按DL/T 5136《火力发电厂，变电所二次接线设计技术规程》规定，电子装置的逻辑(信号)接地是将逻辑信号系统的公共端接到地网，使其成为稳定的参考零电位，由于逻辑(信号)地是所有逻辑电路的公共基准点，对接地电阻的要求较严，一般不大于1 Ω。

将变电所的接地电阻控制到1 Ω及以下，须经过详实的降阻设计，方法有扩大接地网面积、水平接地体外引、双层地网、接地深井、减小水平地网均压带间距、降阻剂、电解离子并联接地装置等等。设计应针对工程实际，通过计算和技术经济比较来采取措施，也可将降阻工程委托给专业的接地公司。

对高阻地区工程，如果地电位较高，二次电缆可全部使用屏蔽电缆。

当接地电阻确实难以降到1 Ω及以下时，在满足规程其他要求的范围内，可以采取措施来提高二次系统所能承受的接地电阻值。考虑的措施有：由二次设备厂家确认二次设备所能承受的接地电阻值，并在设备采购中加以明确；校验二次电缆设备的地电位差；在二次电缆沟内与二次电缆并行敷设等电位接地体，以分流电缆屏蔽层中的电流；在计算机房、通信机房、继电保护室等二次设备间敷设与主接地网紧密连接的等电位接地网；等等。

5 低阻地区变电所接地设计的思路

根据DL/T 5394 《电力工程地下金属构筑物防腐技术导则》，土壤电阻率在20 Ω·m及以下时，变电所接地网应采用碳钢加阴极保护防腐措施。

6 结论

本文梳理了有效接地和低电阻接地系统中变电所设计接地系统的主要思路。

重点对高阻地区变电所的接地设计思路作了系统性的归纳：水平主接地网边角内外侧，为跨步电势或接触电势的峰值地带，可以在此区域单独采取均压或敷设高电阻率地面层等措施，使该区域的接地网满足跨步电势和接触电势的要求。当全所跨步电势不满足要求，且当进一步降低接地电阻满足跨步电势要求的费用较高在经济上不合理时，可以在所内铺设厚度不小于20 cm的碎石，解决跨步电势问题。另外，可要求避雷线在距所区2 km范围内采用良导体逐塔重复直接接地，采取加强分流的措施；可以在独立避雷针接地装置处设20 m深接地浅井或设2～3个电解离子接地极，以降低雷电流幅值。

对二次系统电子装置的逻辑接地要求，可采取均压隔离分流、在二次电缆沟内与二次电缆并行敷设等电位接地体的措施。

[1] DL/T621，交流电气装置的接地[S].

[2] DL/T 5091，水力发电厂接地设计技术导则[S].

[3] DL/T 620，交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].

[4] DL/T 5136，火力发电厂，变电所二次接线设计技术规程[S].

[5] DL/T 5394，电力工程地下金属构筑物防腐技术导则[S].

Exploration of Substation Earthing Design in Effective Earthing System

ZHANG Zhuo-wei , WANG Xiang-ping
(1. Zhejiang Electric Power Design Institute, Hangzhou 310014, China; 2. East China Electric Power Design Institute, Shanghai 200063, China)

The effective earthing system has been popularly used in 110kV～500kV system, the neutral-point direct earthing or low-resistance earthing has been used for 110kV and 220kV transformers while no earthing for some of transformers is also available; the neutral-point no-earthing operation is not permitted for 330kV and 500kV transformers. This article try to clarify the related requirements for the substation earthing in effective erarthing and low-resistance earthing system by incorporating some exact project cases and the so-called “Two types and one mode” design guide for substation stipulated by State Grid, and f gure out some thinking and solution methods.

effective earthing; direct earthing; low-resistance earthing; peak value; sub-corner mesh potential; two types and one mode; current branching; secondary system.

TM63

B

1671-9913(2010)06-0068-04

2010-07-20

张卓为(1974- )，女，工程师，主要从事电气专业变电工程设计工作。