双层接地系统在市区变电站中的应用

张劲松，钱 锋，吴栋良，叶 海，陈 迟，严龙阳，周海军

(1.江苏方天电力技术有限公司，江苏 南京 210002；2.江苏扬州辰浩电力有限公司，江苏 扬州 225002；3.北京加华赛时电力安全技术有限公司，北京 100080)

双层接地系统在市区变电站中的应用

张劲松1，钱 锋2，吴栋良2，叶 海2，陈 迟1，严龙阳3，周海军3

(1.江苏方天电力技术有限公司，江苏 南京 210002；2.江苏扬州辰浩电力有限公司，江苏 扬州 225002；3.北京加华赛时电力安全技术有限公司，北京 100080)

为在有限的可用面积内尽可能保证接地系统满足安全要求，探讨了在市区变电站采用双层接地系统的可行性及有效性；比较了不同土壤结构中，双层接地系统与单层常规接地系统的接地性能；通过分析降阻率、下层接地系统的散流效果、接触电压和跨步电压等接地参数，为市区变电站双层接地系统的设计和施工提供了理论依据和工程指导。

变电站；双层接地系统；降阻率；散流；接地电阻

0 引言

随着我国工业化、城市化进程的快速推进，电力负荷，尤其是市区集中用电需求的不断攀升，位于城市市区范围内的紧凑型、小型化高压变电站也不断出现。由于市区可用面积小、周边设施众多，如何保证市区变电站及周边人员的安全，给市区变电站接地系统的设计和施工带来了新挑战。对常规的郊区变电站系统而言，可通过增加接地系统面积、外引接地、垂直接地棒等方法达到设计要求。但市区变电站可用面积小，有些变电站可能毗邻住宅区、加油站、管道等设施，使得常规接地优化手段，如引外接地、深井爆破等措施难以实施。

目前，市区接地系统主要采用长距离的垂直接地棒(深井)或深井爆破等方式进行改进，但此种方式主要依靠深层低土壤电阻率的特性，不能适用于所有情况。同时，市区接地系统对周边其他设施安全性的影响，也是限制深井或深井爆破在市区变电站中广泛使用的主要原因。

为了更好地探究市区变电站接地系统的设计和施工方法，在有限的可用面积内尽可能满足接地系统的安全要求，本文从评价接地系统安全性的主要指标，如接地电阻、接触/跨步电压等参数出发，通过对比验证的方法探讨在市区变电站中使用双层接地系统的可行性，研究与常规单层接地系统相比，双层接地系统在接地电阻、散流效果以及接触/跨步电压等方面的有效性，为市区变电站接地系统的设计和施工提供理论依据和工程指导，具有实际意义。

本文使用的分析工具为CDEGS软件包。对设计的双层地网模型计算各参数的依据(规范)主要参考了GB/T50065—2011《交流电气装置接地设计规范》。

1 计算模型的选取

选取的双层接地系统结构如图1所示。

图1 双层接地系统结构示意

标准市区变电站接地系统的可用面积为60 m×80 m。上层接地系统埋深0.8 m，上层地网均压带间距S1=10 m，下层地网均压带间距S2=20 m。2个接地系统通过8根位于接地网边缘的垂直连接导体连接，可最大程度地减少垂直连接导体间的屏蔽效应。按照工程实际情况，选取的垂直连接导体长度D的变化范围为1-10 m。接地导体均选用40 mm×4 mm扁钢。

常规单层接地系统结构如图2所示，与双层接地系统的唯一区别在于：单层接地系统不存在下层接地系统。

图2 常规单层接地系统结构示意

对于分析中使用的土壤结构，本文选取常用的典型土壤形式，分别为均匀和水平2层形式，具体参数如表1所示。定义折射率K=(ρ2-ρ1)/(ρ2+ρ1)，其中ρ1为上层土壤的电阻率，ρ2为下层土壤的电阻率。

表1 土壤结构参数

2 降阻率

接地电阻是衡量接地系统性能的重要指标，大多可以通过测量接地电阻值以判断接地系统的设计和施工效果。为定量分析双层接地系统的降阻效果，将其与单层接地系统做比较，定义降阻率为：Rr=(1-R双/R单)×100 %，其中R单为图2中的单层接地系统的接地电阻值，R双为图1中的双层接地系统的接地电阻值。

在3种不同折射率K的土壤结构中，降阻率Rr与层间距D的关系如图3所示。

从图3可以看出，对于双层接地系统，当层间距D较小时，与单层接地系统相比，双层接地系统的降阻效果较小；随着层间距D的增大，双层接地系统的降阻效果有所增加。这主要是随着层间距D的增大，在故障电流通过接地系统散流时，2个接地系统间的导体之间屏蔽效果逐渐减弱，双层接地系统的降阻效果越为明显；对于均匀土壤结构形式（K=0），降阻率随层间距D的增大缓慢上升，降阻比例在15 %以下。当K=0.5时，即上层土壤电阻率小于下层土壤电阻率时，随着层间距D的增大，双层接地系统的降阻率虽然也保持上升趋势，但并不明显，降阻率最大不超过10 %。

图3 双层接地系统层间距对降阻率的影响

同时还可以看出，当K=0.5时，即上层土壤电阻率小于下层土壤电阻率，层间距D为3-4 m时，双层接地系统的降阻率有所降低。其主要原因在于：上层土壤厚度4 m，下层接地系统埋设于高电阻率土壤层，此时下层的高电阻率土壤层会影响下层接地系统的散流效果，造成双层接地系统的接地电阻有所上升，使双层接地系统的降阻率下降。当K=-0.5时，即上层土壤电阻率大于下层土壤电阻率，双层接地系统的降阻效果最高可以达到29 %，但降阻率在D达到4 m后，出现趋于饱和现象。

由此可见，就降阻效果而言，随着层间距D的增大，双层接地系统的降阻率有所提高。但对于下层土壤电阻率较高的土壤结构形式，降阻率始终保持在较低水平，所以此时使用双层接地系统的意义不大。

3 散流效果

接地系统的一个主要功能是在变电站发生单相对地短路故障时，故障电流可以快速通过接地系统流入土壤中。与单层接地系统相比，双层接地系统具有更多的接地导体接触土壤，增加了故障电流流入大地的路径，从而具有更好的散流效果。

为定量分析下层接地系统对散流效果的影响，将分析不同情况下故障电流通过下层接地系统散流的情况。此处定义散流因子Ri=(I底/I总)×100 %，其中，I底为双层接地系统情况下通过下层接地系统流入土壤中的电流，I总为双层地网故障点处注入的总入地电流，散流因子Ri为下层接地系统的散流效果提供定量解释。

双层接地系统的散流因子Ri与层间距D的变化关系如图4所示。

图4 双层接地系统层间距对底层分流比例的影响

从图4可以看出，采用双层接地系统后，故障电流在通过接地系统散流时会有很大一部分电流流入下层接地系统，并通过下层接地系统流入土壤中。随着层间距D的增大，通过下层接地系统散流的电流比例也有所增加；即使在层间距D较小的情况下，也约有40 %入地故障电流通过下层接地系统散流，尤其当下层土壤电阻率较低(K=-0.5)时，在下层接地系统接触到下层土壤后，散流因子甚至接近80 %。但需注意的是，下层接地系统接触到下层土壤时(上层土壤厚度为4 m)，分流比例很快趋于饱和。在均匀土壤中，分流比例稳步上升，层间距D为10 m，下层接地系统的散流比例达到60 %。而对于K=0.5的土壤结构形式，在下层接地系统刚接触下层电阻率较高的土壤层时，由于下层高电阻率土壤的阻碍，故障电流多通过上层低电阻率土壤层散流，此时下层接地系统分流效果有所减弱，之后逐步缓慢回升到最大40 %左右，这与下层接地系统深入下层土壤2-3 m深度时的分流比例接近，所以此后再增加层间距意义不大。

从图3和图4还可以看出，双层接地系统提供了更多的电流散流通道，可以在接地电阻降低比例较小的情况下，将更多的电流导入深层土壤，降低地表附近的电流密度，从而减少地表处的电位值。基于此次研究中的采样数据可知：对于水平双层接地系统，如果在下层接地系统接触到下层土壤一定深度后再继续增加层间距，其降阻和分流效果并没有明显增加，在一定层间距内甚至不如刚接触下层土壤时的效果，尤其是分流效果。即在增加层间距的同时，需要考虑将下层接地系统敷设在低土壤电阻率层，将更有助于降低接地电阻或散流。

4 接触/跨步电压

接触电压和跨步电压是评估接地系统安全性能的重要参数，在各个行业标准中对于接触/跨步电压均明确提出了安全要求。

在双层接地系统情况下，接触电压最大值的变化情况如图5所示。此处定义接触电压降低比例为Rt=(1-VT双/VT单)×100 %，其中VT单为单层接地系统情况接触电压的最大值，VT双为采用双层接地系统后接触电压的最大值。

图5 双层接地系统层间距对接触电压的影响

从图5可以看出，当市区变电站接地系统采用双层接地系统后，各种土壤结构下接触电压最大值均有所降低，其主要原因是：增加下层接地系统使得层间土壤的电位更平均，更接近于导体电位，从而降低了接触电压最大值。

在双层接地系统情况下，跨步电压最大值的变化情况如图6所示。此处定义跨步电压降低比例为：RS=(1-VS双/VS单)×100 %，其中VS单为单层接地系统情况跨步电压的最大值，VS双为采用双层接地系统后跨步电压的最大值。

从图5和图6可以看出，在不同土壤结构下，接触电压和跨步电压降低比例的趋势基本相同；但根据定量分析，其数值结果还是有所不同。如在均匀土壤中和K=-0.5的土壤中，接触电压和跨步电压降低比例幅值基本相似；在K=0.5的土壤中，接触电压最大值可降低约为40 %，而跨步电压最大值降低仅约为17 %。原因在于单层接地系统均压带间距仅约为10 m，此时均压效果较好，已经将跨步电压降低到较低水平；所以即使采用双层接地系统，对于跨步电压而言，其降低的比例也不甚明显。

图6 双层接地系统层间距对跨步电压的影响

总之，采用双层接地系统会降低地表处接触电压和跨步电压的最大值。从散流角度来看，增加下层接地系统后，为故障电流提供更多的散流路径，使得更多故障电流通过下层接地系统流向土壤深处，降低了地表附近电流强度，从而降低了接触/跨步电压值。

5 结论

(1) 从接地电阻值来看，与传统单层接地系统相比，双层接地系统不具有明显优势；但由于增加了电流在土壤深处的散流路径，双层接地系统对故障电流的快速深层散流和对地表接触(跨步)电压的降低效果表现显著，其效果与层间距趋于正相关，在很大程度上提高和保障了变电站及其周边区域的电力安全性。

(2) 在不同土壤结构下，双层接地系统的接地性能也各不相同。当底层接地网接触到下层高电阻率土壤层时，会降低接地系统的接地性能；当接触到下层低电阻率土壤层时，可更大幅提高其接地性能。对于水平双层土壤，建议将双层接地系统间的层间距保持在土壤的上层厚度附近，这样既可在一定范围内得到最佳的接地性能，又可避免继续增加层间距造成工程成本的浪费。但应特别注意的是，如果使用该层间距仍然不能满足安全标准，则应重新进行接地系统的设计工作。对于均匀土壤，持续地增加层间距可以缓慢地提高接地效果，但也需要考虑达到一定层间距后的饱和现象和经济技术的限制。

(3) 目前，双层地网在中国的应用主要以城市地下变电站(多层地网结构)以及GIS专有网与主地网构成双层网等形式为代表。本文对变电站双层接地系统的研究为此类变电站的设计和施工提供了理论依据和工程指导。

1 陈先禄.接地[M].重庆：重庆大学出版社，2002.

2 GB/T50065—2011，交流电气装置的接地设计规范[S].北京，2012.

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6 张永生，胡旭东，王 伟，等.变电站直流系统接地故障分析[J].电力安全技术，2012，14(1)：49-51.

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9 Y.Li，J.Ma and F.P.Dawalibi，Jinsong Zhang.Power Grounding Safety： Copper Grounding Systems vs.Steel Grounding Systems[C].International Conference on Power System Technology (POWERCON2006).Chongqing， China， October 22-26， 2006.

10 Y.Li，F.P.Dawalibi，C.Li and Jinsong Zhang.New Mitigation Technique of Transformer Saturation Due To Neutral HVDC Currents[C].The 5th International Conference on Power Transmission & Distribution Technology.Beijing， China， October 12-14， 2005.

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2015-08-15。

张劲松(1968-)，男，高级工程师，主要从事电力系统高电压研究工作，email：15905166808@163.com。

钱 锋(1964-)，男，工程师，主要从事电力系统电气一次设计工作。

吴栋良(1981-)，男，副高级工程师，主要从事变电一次设计工作。

叶 海(1975-)，女，高级工程师，主要从事电网工程设计研究。

陈 迟(1983-)，男，工程师，主要从事电力系统高压电研究工作。

严龙阳(1991-)，男，工程师，主要从事电磁干扰分析与接地系统安全设计工作。

周海军(1979-)，男，工程师，主要从事电力系统接地安全分析与评估、公用走廊电磁干扰分析与设计及雷击暂态与屏蔽分析工作。