浅谈大型接地系统的设计和分析

黄欢，罗洪，曾华荣，刘华麟，杜昊，邢懿（贵州电力试验研究院，贵阳550002）

浅谈大型接地系统的设计和分析

黄欢，罗洪，曾华荣，刘华麟，杜昊，邢懿
（贵州电力试验研究院，贵阳550002）

随着发变电站装机容量和占地面积的增加，接地系统的规模和复杂度也不断提高，这为接地系统的设计和分析带来了新的挑战。为了更好地进行大型接地系统设计和分析，首先介绍了基本的设计流程，重点介绍了进行大型接地系统设计分析与常规接地系统相比需考虑的新问题。分析结果表明，与常规的接地系统设计分析相比，在进行大型接地系统设计时除了要考虑土壤结构、接地系统形状等常规因素外，还需要考虑计算方法、接地系统内部环流、短路电流入地点和导体材料等方面的影响，否则会对计算结果带来显著的误差，容易造成安全隐患。

大型接地系统；短路故障；环流；土壤结构

接地网是保证发变电站安全运行不可缺少的组成部分，其性能好坏直接影响到站内工作人员和公众的安全[1-4]。随着社会发展的需要，国内500 kV、1 000 kV变电站数目不断增加，已有的发变电站也在不断地进行改造和扩建，使得接地系统的占地规模和复杂度也显著提高。

在进行接地系统设计时，前些年多按照各种标准和设计经验进行常规设计[2-5]。近年来随着认识的提高，对接地系统有了更高的要求，衡量接地系统性能的指标也趋向合理，评价指标包括了接地电阻、接触/跨步电压和接地导体电位升GPR（ground potentialrise）等[3-4]。但是对于占地面积巨大、结构复杂的大型接地系统，使用常规的设计方法能否满足要求，以及如何结合现场条件更准确地评价其安全性带来了新的挑战。

为了解决此问题，本文从大型接地系统的安全性综合评价角度出发，首先介绍了进行大型接地系统设计和分析的基本流程。随后，对随着接地系统面积和复杂度增大出现的新问题进行了定量的对比性分析，其主要因素包括计算方法、接地系统内部的环流、短路电流入地点的选取和导体材料等。最后给出了相应的建议，为进行大型接地系统的设计分析以及安全性评估提供了理论指导。

本文采用的分析工具为CDEGS软件[6]。

1 基本设计流程

接地系统设计是一个复杂的系统工程，需考虑多方面因素的影响。目前，在常规的接地系统设计中，主要考虑土壤结构参数、故障入地电流和接地网形式等几个方面[7-13]。

对于常规的小型接地系统，在设计和分析时考虑以上主要因素即可。而大型接地系统，存在接地系统占地面积大、结构复杂、发变电站装机容量大等特点，使得除了需要考虑以上的基本常规影响因素外，还有很多需要关注和考虑的因素。建议的大型接地系统设计基本流程如图1所示。

图1 大型接地系统设计分析的基本流程Fig.1 Basis flow chartofhuge grounding system design and analysis

由图1可以看出，对于大型接地系统的设计还需要考虑环流、故障电流入地点等因素。这些问题是随着大型接地系统的出现而出现的，在进行设计分析时需要综合考虑以上各因素，根据现场实际情况进行分析，而不能分割、缺少其中的任何一个，否则会得到错误的计算分析结果。

2 接地网内部环流的影响

在发变电站内部发生短路故障时，与该发变电站相连的电力网络会提供短路故障电流，并通过短路点流入接地系统，随后在土壤中散流，这部分电流即为由周围发变电站等终端提供的短路入地电流[2-3]。目前，在进行常规设计时，均按照此故障入地电流值进行接地系统性能分析。

而实际上，当站内发生短路故障时，除周边的电力网路提供短路电流外，故障站内的变压器也会提供故障电流。该故障电流通过架空地线也通过故障点流入接地系统中，但是该部分故障电流未经过接地系统流入土壤中，而是又通过连接到接地系统的变压器中性点返回至变压器，此部分电流即为“环流”。环流的基本分布示意如图2所示。

图2 环流分布示意Fig.2 Sketch map of circulation distribution

由图2可以看出，在发生短路故障时，流入接地系统的短路电流包含以下2个方面：

（1）远端变电站提供的短路电流（由周围电力网络提供的短路入地电流，假定为X）；

（2）发变电站内变压器提供的短路电流（假定为Y）。

此时，流入接地系统的短路电流应为X+Y（矢量和）。只不过其中只有X电流通过接地系统流入土壤，而故障电流Y经过接地导体又返回至变压器中性点。

对于大型的变电站或发电厂而言，装机容量大，同时故障点和变压器中性点的距离会很远，从而流经接地导体的环流会显著改变接地导体的GPR值，也就会直接影响到接触、跨步电压的分布和数值。在常规、小型接地系统中由于接地系统面积较小，故障点和变压器中性地点接地点距离较近，从而环流不会显著改变大范围接地导体的GPR值和地表电位等参数。

某大型热电厂接地系统在考虑和未考虑环流后，对地表电位幅值的影响如图3、图4所示。发生站内短路情况下，热电厂变压器提供的环流电流约为15 kA，远端电源提供的短路电流约为2 kA。

由图3、图4可以看出，在未考虑环流时，地表电位的最大值只有874 V；而在考虑了环流后，地表电位的最大值约为2 300 V。两者差别很大。所以在进行大型接地系统安全性分析时，如果未考虑环流的影响，会得到完全不同的分析结果。

图3 接地系统地表电位分布（15 kA环流）Fig.3 Distribution of soilsurface potential with 15 kA circular current

图4 接地系统地表电位分布（无环流）Fig.4 Distribution of soilsurface potential without circular current

图5 不同计算方法的计算结果Fig.5 Computation results ofdifferentalgorithms

3 计算方法的选取

在进行接地系统性能分析和相关研究时，多采用等电位计算方法[14-16]，即认为组成接地系统的所有接地导体均具有相同的电位，不考虑接地导体自身的阻抗，认为接地导体是超导体。在接地系统较小时，此算法也可以得到较为可靠的结果。

但是对于大型接地系统而言，由于占地面积大，导体数目和总长度显著，此时接地导体的总电阻与其泄露电阻相比不可忽略，如果此时不考虑接地导体自身的阻抗，得到的结果可能与实际情况差别很大。

对同一500 kV变电站的接地系统，如：各个接地网中均压带间距均为10 m，埋深0.5 m。钢质材料的相对电阻率选为13（相对于退火铜），相对电阻率选为300（相对于真空），采用不同的计算方法得到的结果如图5所示。

由图5可以看出，对于同一大型接地系统而言，在采用不同的计算方法时，得到的结果完全不同。图5（a）中的地表电位约为图5（b）的2倍。主要原因在于考虑了接地导体自身的阻抗后，电流通过接地网散流时会在接地导体上形成明显的电压降，所以在大型接地系统中较远两点间的GPR差可能会很大。此时如果将控制电缆等设备的两端分别接于接地网的不同位置，若这两点间的电位差过大，从而电缆护套、设备上就会承受过高的电压差，容易造成电缆等设备的安全隐患。

随着接地系统面积的增大，分别采用等电位法和不等电位法计算得到的接地电阻值差别情况如图6所示。此时假定接地网为矩形，土壤电阻率为30Ω·m。定义差别率a=（Rnq-Rq）/Rnq×100%，Rnq为不等电位的接地电阻，R8为等电位的接地电阻。

图6 不同算法的计算结果对比Fig.6 Comparison ofcomputation results with different algorithms

由图6可以看出，随着接地网尺寸的增加，采用不同算法得到的计算结果差别率a也在显著增加，当接地网尺寸达到300 m×300 m（约为标准的500 kV变电站面积）时，差别率在40%左右；当达到500 m×500 m（约为标准的1 000 kV变电站面积）时，差别率达到55%。同时可以看出，采用不等电位的计算方法，得到的接地阻抗值较大，因为其考虑了导体自身的阻抗，从而结果较大。对于大型接地系统，如果采用等电位计算方法，得到的结果与实际相比较小，结果过于乐观，这也是很多接地系统施工完成后，发现接地电阻过高，未达到预期目标的原因之一。

所以对于大型接地系统而言，在进行相关的性能分析时，应考虑接地导体自身阻抗的影响，即采用不等电位的计算方法，可以得到更符合实际的计算结果。

4 短路故障点的选取

发变电站内接地的设备数目众多，存在大量的接地引下线，在发生站内短路故障时，故障点可能会位于任意一个接地引下线。对于小型接地系统而言，在进行短路分析时，不同的故障入地点对结果影响较小。而对于大型接地系统而言，在其他参数不变的情况下，仅改变故障入地点，就会得到完全不同的计算结果。同一大型接地系统，故障点分别位于中心和角落时，地表电位的分布情况如图7所示。此处土壤电阻率为30Ω·m。

图7 不同短路入地点的对比Fig.7 Comparison with different fault locations

由图7可以看出，选择不同的短路电流入地点，得到的结果也完全不一样。如在图7（a）中，最大的地表电位约为1 000 V，而在图7（b）中最大值在1 300 V左右，两者差约30%。这是因为注入点位于角落处时，不利于故障电流的散流，导致地表电位较高。因此将短路点选择在接地系统角落处，可以得到较为保守的计算结果。所以在设计分析时，需要考虑短路入地点发生在不同位置的情况，如果得到的结果均满足安全要求，才可以认为整个接地系统是安全的。

此外，对于一个好的接地设计，还应该专门分析短路故障点位于发变电站大门附近时的安全性，以保证工作人员在进出大门接触金属大门时的安全性。

5 接地导体材料的选取

目前，为了降低建设成本，接地系统多采用钢制材料，在各种标准中也以钢制材料为基础进行介绍[2-3]，而在国外标准多按铜质接地导体考虑[4]。随着国内工程发展的需要，有时接地系统会位于腐蚀率高和机械应力要求较高的土壤中，此时为了保证接地导体的可靠性和安全性，有时也会采用铜导体作为接地导体。同时，对于地质条件较差，接地电阻难以达到设计要求的地区，有些设计者也会尝试使用铜质接地导体，可以显著降低接地电阻。铜质接地导体与钢质相比是否具有显著的降阻效果需要进行定量分析。

土壤电阻率10～500Ω·m之间变化时，同一接地系统（220 m×300 m）采用钢质和铜质接地导体时接地电阻的比较如图8所示。定义差别率b=（RFe-RCu）/RCu×100%。

图8 钢质和铜质接地网的接地电阻差别率Fig.8 Difference between steelconductor and copper conductor

由图8可以看出，在土壤电阻率较低时，钢质接地网的接地电阻显著高于铜质接地网，而随着土壤电阻率的增加，两者的差别逐渐减小；当土壤电阻率超过500Ω·m时，两者的差别可以忽略不计。其主要原因在于随着土壤电阻率的增加，钢质和铜质接地导体自身阻抗值的差别与周围土壤的电阻率数值相比可以忽略不计，此时接地电阻主要由周围土壤的电阻率决定，所以此时采用铜质或钢质接地网的差别不大。

从降阻角度来看，在土壤电阻率较低时，如小于100Ω·m时，铜质接地网具有更好的降阻效果。

6 结语

大型接地系统的出现为设计和分析带来了新的挑战和新的问题。除了需要考虑常规设计中的影响因素外，还需要基于大型接地系统特有的特点进行设计和分析。此时需要考虑的新因素包括：变电站内部的环流；计算方法的选取；短路故障入地点和不同接地导体材料的选取等。实际中，在进行大型接地系统设计和分析时，建议采用专用的科学工具根据现场实际情况进行分析和评估，从而可以提高设计的准确度，保证变电站内人身和设备的安全。

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Brief Discussion of Design and Analysis of Huge Grounding System

HUANG Huan，LUO Hong，ZENG Huarong，LIU Hualin，DU Hao，XING Yi
（Guizhou Electric Power Test&Research Institute，Guiyang 550002，China）

With the increasementofthe power capacity and space ofsubstations，the dimension and complexity ofthe grounding system are improved continuously，which has brought new challenges to the design and analysis of huge grounding system.First，for the better design and analysis of the large grounding systems，the paper introduces the basic design procedures，and then itfocuses on the new problems thatshould be taken into accountfor huge grounding systems.The analysis results show that the designer should consider more important and indispensable factors than smallgrounding systems besides conventionalsoilstructure，shape ofthe grounding system etc.These importantfactors includes calculation methods，grounding system internal circularcurrent，shortfaultcurrentinjected pointand conductor material etc.The contrast results show that if designers ignore these important factors in huge grounding systems design，the calculation results errorwillbecome greaterand itwilllead to security potential risks.

huge grounding system；short-circuitfault；circularcurrent；soilstructure

TM862

A

1003-8930（2015）03-0098-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.03.18

黄欢（1978—），女，硕士，工程师，主要从事接地技术等方面的工作。Email：470480531@qq.com罗洪（1962—），男，本科，高级工程师，主要从事高电压技术方面的工作。Email：gy1@vip.sina.com

2013-06-07；

2013-07-23

曾华荣（1969—），男，本科，高级工程师，主要从事高电压技术管理工作。Email：gy1@vip.sina.com