市内变电站接地系统的设计和分析

周亮，徐骏，刘垚，付龙海，李业旭，Farid Paul Dawalibi

（1.国网上海市电力公司经济技术研究院，上海 200120；2.国网上海电力设计有限公司，上海 200025；3.北京加华赛时电力安全技术有限公司，北京 100080）

市内变电站接地系统的设计和分析

周亮1，徐骏2，刘垚2，付龙海3，李业旭3，Farid Paul Dawalibi3

（1.国网上海市电力公司经济技术研究院，上海 200120；2.国网上海电力设计有限公司，上海 200025；3.北京加华赛时电力安全技术有限公司，北京 100080）

为了更好地进行市内变电站的设计和分析，介绍了市内变电站接地系统的基本设计流程，重点讨论了进行市内接地系统设计分析与常规郊区接地系统相比需考虑和出现的新问题。分析结果表明，与常规的接地系统相比，在进行市内接地系统设计时除了要考虑各种常规因素外，还需考虑可能的多块土壤结构、各电压等级电缆在故障电流分布计算中的影响，以及考虑电站入地电流对周边构筑物以及民用设施的安全影响等方面，否则会对电站评估安全计算结果带来显著的误差，遗漏周边安全性评估等，造成安全隐患。

市内接地系统；故障电流分布；GIS；土壤结构；传导干扰；地电位升

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[1-2]。随着我国工业化、城市化进程的快速推进，城市集中用户负荷和需求不断增加，位于城区市区的紧凑型、小型化高压变电站不断出现，如何保证在变电站发生短路故障时变电站及周边公众的安全，是变电站接地系统设计和分析时需要考虑的重要内容。

对于位于城区外、郊区的变电站接地系统，由于可用面积大、周边商用民用设施少，在接地系统设计和施工时可以按照各种标准和设计经验通过多种常规的有效方法和方式保证接地系统达到安全设计要求[3-4]。而对于市区变电站而言，可用面积小，有些变电站周边就存在大量的商用民用建筑物和基础，接地系统与周边的民用设施（如居民水管、商用建筑物等）相连，可以增加接地系统可用面积，降低接地阻抗等参数。但是在发生短路时，故障短路入地电流通过接地系统散流时，可能对邻近的民用设施和公众人员造成安全隐患。为了尽可能地减少占用面积，城区变电站多采用GIS形式，对于存在GIS情况下如何进行准确可靠的性能评估也是亟待解决的问题。城区GIS变电站的使用，为更准确地分析接地系统性能及保证周边公众的安全提出了新的挑战，为接地系统的设计和施工带来了全新的难度。

为了更好地对市内变电站接地系统进行设计和性能评估，本文从市内变电站接地系统的安全性综合评价角度出发，首先，介绍了进行市内接地系统设计和分析的基本流程。其次，对市内变电站接地极系统设计过程中出现的新问题和容易被设计分析者忽略的方面进行了介绍说明，并进行了定量的对比性分析，主要因素包括土壤结构、故障电流分布计算、对周边商用民用建筑物的影响以及计算方法、GIS系统安全性分析等。最后，给出了相应的建议，为相关设计和研究人员进行市内接地系统的设计分析以及安全性评估提供了理论指导。本研究中采用的分析工具为CDEGS软件[5]。

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、参数的影响[6-9]。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，很多研究者对此进行了大量的研究，在此不再赘述[10-13]。

对于常规的郊区接地系统而言，在设计和分析时，需要综合考虑各主要因素。而对于市内接地系统而言，存在接地系统可用占地面积小、结构复杂、周边商用民用设施众多等原因，使得除了需要考虑基本常规影响因素外，还有很多需要关注和考虑的因素。图1给出了建议的市区变电站接地系统设计基本流程。

由图1可知，对于市区接地系统而言，在评估计算变电站安全性能时，需要考虑GIS以及周边商用民用建筑设施等对地网的影响。此外，除了要按照常规分析考虑接地系统自身的安全性外，还需要考虑变电站内GIS系统、周边商用民用建筑等系统的安全性。这些问题是随着市内变电站建设的出现而出现的，在进行设计分析时需要综合考虑各个因素，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。

为了让读者定量的了解市内接地系统设计分析中出现的新问题及其对设计和分析带来的影响，下面将以简单的例子进行定量的对比分析和介绍。

图1 市内变电站接地系统设计分析的基本流程Fig.1 Basic process of the design and analysis of the grounding system of the urban substation

2 土壤结构的选取

对于接地系统形式而言，其表现出来的性能与其所在的土壤结构形式密切相关，同一个接地系统在不同的土壤结构中会呈现完全不同的性能。因此，要准确评估计算接地系统的性能，首先需要得到较为准确的土壤结构形式。对于土壤结构，各种标准和文献中多采用均匀或者水平分层土壤结构形式进行表达，对于郊区的发变电站接地系统，由于大范围内土壤形式未发生显著变化，所以使用此种土壤形式可以满足要求[14-16]。

而对于市区接地系统，因为在变电站下方或者附近会存在地下设施，如地下停车场或者商场等，因而在接地极下方存在一个非土壤的空间区域。这部分区域由于不存在土壤，无论对地网接地电阻、还是故障电流的分布、还是入地电流的散流都会造成影响，即会影响接地系统的性能。

图2给出了市内变电站下方存在地下商用建筑物情况时的结构示意图。

同时，图3给出了不同地下空间区域情况下对接地系统接地电阻的影响情况。此处假设地下区域顶部距离接地系统5 m，建筑物内部高度为10 m。

定义无地下建筑物时接地系统的接地电阻为R1，存在地下建筑物时的接地电阻值为R2。接地电阻变化率a=R2/R1。地下建筑物空间边长与接地网边长比值为b。此处大范围的土壤按照均匀土壤形式考虑，土壤电阻率为100 Ω·m。

图2 市内变电站与地下商用建筑物共存情况下的土壤结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the soil structure of the urban substation and the underground commercial buildings

图3 不同地下空间体积对接地电阻的影响Fig.3 Effects of different volume of underground space on the grounding resistance

由图3可知，随着地下空间区域的增加，接地系统的接地电阻值也不断增加。当地下构筑物边长约为3倍于接地网边长时，此时接地电阻值约为无地下空间时的5倍。当地下构筑物边长尺寸达到接地系统边长尺寸8倍以后，R2与R1的比值变化趋向平缓。主要在于当与接地系统尺寸相比地下构筑物空间足够大时，接地系统散流时电流无法达到构筑物边界外区域，而认为已存在足够大的空间，所以再增加构筑物空间，对于接地电阻影响不大。

所以在进行市内变电站接地系统性能评估时，如果不能准确考虑地下商用民用设施空间区域情况，会得到较为乐观的接地电阻计算值，容易出现施工完成后接地系统不能达到设计要求的情况。值得注意的是，不同的周边土壤结构，可以得到图3中完全不用的结果比值大小。所以在实际电站的评估计算中，需要建立电站地网的实际模型，考虑周边土壤的真实特性，以得到准确的地网安全性能计算分析结果。

3 故障入地电流的计算

对于常规的郊区变电站，变电站进出线多为架空线路，所以，分流系数主要以架空线路形式进行考虑和计算。而在实际中为了减少输电线路对周边环境和人员的影响，输电线进入市区后，多会采用电力电缆形式引入变电站。对于电缆进出线形式，由于缆芯和护套之间距离很近，在短路故障电流通过时两者之间存在很强的耦合，如图4所示为电力电缆结构图。此外，市区变电站内常有多条抵押电缆进出，对于对短路电流没有贡献的低压电缆（如10 kV），其护套会起到一定的传导分流作用，在分析时也需要准确考虑通过电缆散流的分流效应。

图4 典型电力电缆结构示意图Fig.4 Schematic diagram of the typical power cable structure

在计算故障电流分布时，在存在电缆的情况下与常规的架空线路相比，分流系数有所不同。此外，电力电缆护套层多采用交差互联以及通过电缆护套保护器接入接地装置，如何准确计算电缆护套层的感应电压？如何正确分析电缆护套层连击反应最后达到稳定状态，从而计算故障电流分布？如何模拟考虑无电流贡献的抵押电缆等，这些问题都为故障入地电流的计算带来了新的挑战。如何按照现场实际情况，考虑架空输电线路和埋地电力电缆共存的情况下，获得准确的故障入地电流值，是市区变电站安全性评估的一大难点与重点之一。

结合作者近期完成的一个实际工程项目，进出线走向及电路结构图如图5所示。

线路总长约为55 km。此处给出了某市内变电站进出线采用纯架空线路和架空、埋地电缆相结合情况下，两者故障电流分流系数的不同，如表1所示。其中，杆塔类型A和B，两者的唯一区别在于相线和地线间的距离（A间的距离大于B）。由表1可知，在其他情况相同的情况下，采用电缆作为进出线形式，会有更多的故障电流返回至远端电源，而有较少的故障电流流入变电站接地系统，与架空线路形式相比，差别近70%。如果此时还按照常规的架空线路形式进行故障电流分流系数计算，会增加后续接地系统设计的难度。

图5 某市内变电站进出线走向示意图（单位：km）Fig.5 Schematic diagram of outlet and inlet line of a certain urban transformer substation（uite：km）

表1 不同进出线方式下的分流系数Tab.1 Split flow coefficient in different ways of outlet and inlet line

4 对周边构筑物的影响

对于市内接地系统而言，因为周边存在大量的商用和民用建筑物以及公众人员，所以在进行其安全性评估时不能像常规、传统的接地网评估一样，仅仅评估变电站内部区域的安全性。除了考虑常规的变电站内部各项指标安全性外，还需要考虑变电站周边的民用和商用建筑物接地系统及公众的安全性，即使这些设施不与电站地网电器相连。

从理论上讲，当2个接地网距离是无穷远时，两者间才不存在影响。而在现实中，很难做到这一点。当电流通过变电站接地网散流时，除了会升高自身接地网的电位外，还会引起周围土壤的电位升高，引起周边建筑物导体的电位升（即使这些设施不与电站地网电器相连），从而产生传导干扰问题。

图6所示为构筑物和变电站的接地系统结构形式。其中6（a）为市内变电站接地系统；6（b）为周围构筑物接地系统。土壤结构如表2所示。

图6 变电站接地网与周围接地网结构示意图Fig.6 Schematic diagram of substation grounding grid and surrounding grounding grid structure

表2 土壤结构Tab.2 Soil structure

表2中：ρ1为顶层土壤电阻率，Ω·m；ρ2为底层土壤电阻率，Ω·m。接地网埋深均为0.8 m，接地导体选用40 mm×4 mm的扁钢，等值半径为0.02 m。

4.1 土壤结构的影响

图7给出了D=15 m，接地网图6（a）（变电站地网）发生短路故障时，在接地网图6（b）（周边商用民用设施）处引起的地表地电位升与接地网图6（a）处地表电位升的百分比。该比值直接反映了图6（b）受图6（a）的传导干扰程度。

由图7可知，在不同的土壤结构下，图6（b）接地网受到的传导干扰影响也不相同，而且差别特别大。当下层土壤电阻率ρ2＞ρ1（即K大于0）时，传导干扰越发显著。主要是当ρ2＞ρ1时，故障电流在上层的低电阻率地区散流，所以有更多的电流流到图6（b）接地网，从而增大了干扰效果。

4.2 距离D的影响

图8给出了在其他参数不变的情况下，距离D变化时，变电站接地网与周围接地网处地表电位的变化情况。在此定义：V1为变电站接地系统图6（a）的地表电位最大值；V2为接地网图6（b）的地表电位最大值；R=V2/V1×100%。

由图8可知，随着距离D的增加，电流通过变电站接地系统散流时，对周围接地系统的影响也随之减少，但是该减少值有趋向缓和的趋势。一般来说，当ρ1＜ρ2时（上层低电阻率，下层高电阻率），两者之间的干扰影响大于ρ1＞ρ2时（下层低电阻率，上层高电阻率），其主要原因是下层土壤电阻率低时，电流主要通过下层土壤散流，从而使得流到周围接地系统的电流比例减少。

图7 不同土壤结构下传导干扰程度Fig.7 Conduction disturbance in different soil structures

图8 距离变化对地表电位的影响Fig.8 Influence of the distance change on the surface potential

4.3 K值的影响

图9给出了水平双层土壤中不同K值时的影响图。其中ρ1=200 Ω·m，h=5 m，反射系数，D= 15 m。

由图9可知，K值不同，2个接地系统间的影响大小也有所不同。随着K值的增加，接地网图6的地表电位在不断增加，同时R值也在不断增加，说明周围接地系统受变电站接地网的传导影响也就越明显，传导耦合干扰越发显著。

图9 K值变化时，接地系统间的传导干扰Fig.9 Conduction interference between grounding systems with K value variation

5 结语

随着市内变电站的不断处出现，为接地系统的出现、设计和分析带来了新的挑战和新的问题。对于市内变电站的接地系统而言，除了需要考虑常规设计中的影响因素外，还需要基于市内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：变电站下方及周边存在的地下空间区域；埋地电力电缆对故障电流的影响以及短路情况下变电站对周边构筑物及其他埋地金属的安全影响等。实际中，在进行市内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，保证市内变电站内工作人员及周边公众人身和设备的安全。

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Analysis and Design of Urban Substation Grounding System

ZHOU Liang1，XU Jun2，LIU Yao2，FU Longhai3，LI Yexu3，Farid Paul Dawalibi3
（1.State Grid Shanghai Economic Research Institute，Shanghai 200120，China；2.State Grid Shanghai Electric Power Design Co.，Ltd.，Shanghai 200025，China；3.Beijing Jiahua Saishi Safety Engineering&Technologies Co.，Ltd.，Beijing 100080，China）

In order to design and analyze the urban substation better，this paper introduces the basic design process for the grounding system of the urban substation，focusing on factors to be considered and new problems in the design and analysis of the grounding system compared with the one for the conventional substation in the rural area.The analysis shows that compared with the conventional grounding system，the grounding system of the urban substation should take consideration of not only those conventional factors，but also the possible multi-block soil structure，effects of cables of different voltages on the calculation of the fault current distribution as well as safety effects of the grounding current on the surrounding structures and civil facilities，otherwise remarkable errors would occur to the substation safety assessment and evaluation of the surrounding safety would be missed and hidden safety risks could be formed.

grounding system；urban substation；fault current distribution；GIS；soil structure

2016-06-11。

周 亮（1980—），男，本科，工程师，从事工程设计管理工作。

（编辑 董小兵）

国家青年科学基金项目（51507100）。

ProjectSupported by the NationalYouth Science Fund（51507100）.

1674-3814（2016）12-0028-06

TM862

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