影响接地系统安全的关键要素研究

付学文, 马振宏, 魏智娟, 顾爽, 王中亮, 孔国良

(国网河北省电力公司 邢台供电分公司，河北 邢台 054001)

影响接地系统安全的关键要素研究

付学文, 马振宏, 魏智娟, 顾爽, 王中亮, 孔国良

(国网河北省电力公司 邢台供电分公司，河北 邢台 054001)

为给接地系统的施工及技术改造提供一些理论依据，研究了影响接地系统安全的关键要素。采用加拿大SES公司的CDEGS软件，根据工程实际中的土壤结构，通过对故障电流流入变电站的位置、土壤结构、地网网格间距、垂直接地体数量与形状、地网边角角度、地网外延水平接地体、地表土壤电阻率等7个方面系统地仿真，论证了影响接地系统安全的关键要素，认为故障电流在接地网边角地带时风险最大，可以用改变地网形状或土壤电阻率等方法提高电力系统的接地可靠性。

接地系统；接地电阻；跨步电压；接触电压

随着电力系统容量的逐步加大，因鸟害[1]、雷击[2]、风偏[3]、误操作等原因致使流经变电站、发电厂接地系统的故障入地电流愈来愈大，影响电力系统的供电可靠性。加拿大SES公司发布的接地系统分析软件包CDEGS目前已基本得到了国内外相关领域专家学者的认可，他们将其课题分析结果与CDEGS计算结果做比较验证分析[4-7]，使用CDEGS软件对算例变电站接地系统进行安全评估与改造设计[8-12]等。笔者使用CDEGS软件对可能影响接地系统安全的几个要素进行仿真计算，以便为接地系统的施工及技术改造提供一些理论依据。

1 接地系统的设计

1.1 土壤结构计算

土壤电阻率是影响接地网安全的重要因素，差异化的土壤电阻率组成差异化的土壤结构，故在进行接地系统计算分析之前需测量其土壤电阻率，以便确定准确的土壤结构模型。测量土壤电阻率常用的方法有两种：Wenner法与Schlumberger法[13]。

1.2 故障电流分布计算

站内最大故障入地电流一般发生在系统单相对地短路的情况，但最大入地电流也可能发生在雷击短路或站外杆塔短路的情况。而且，流入到变电站接地系统总的故障电流比通过接地系统释放到土壤中的电流更大。总的故障电流的一部分将通过输电线的屏蔽线、接地系统导体和配电馈线的中性线或屏蔽线返回到远端源和当地变压器的中性点。经架空线、输电线的中性线和连接到变电站的配电线流回的电流与总的故障电流之比称为故障电流分流系数。

1.3 接地系统安全分析

假设土壤电阻率为ρ，大地内的电流密度为δ，则大地的场强密度为E=ρδ，无穷远处电位为零，则变电站或发电厂发生接地故障时，接地故障电流经过接地网注入大地时地表电位如图1所示[13]。

纯阻性电流是不存在的[13]，所以把接地点处的电位UM与接地电流I的比值定义为接地电阻R，即R=UM/I。

图1 接地网原理图

接触电压与跨步电压施加于人体产生流过人体的电流,可能危及生命安全，减小接地阻抗值或改变接地网参数可以降低接触电压和跨步电压值，提高变电站的安全性[13]。

2 接地系统的描述

2.1 土壤结构

用Wenner法对某地区的土壤电阻率进行测量[14-19]，在测量中改变电极间距，忽略探针长度，测得9组视在电阻率，见表1。

表1 视在电阻率与极间距的对应关系

2.2 变电站接地网模型

假设某变电站接地网为100 m×100 m、网格间距为10 m的正方形，水平接地体等效直径d=0.03 m，材料是热镀锌扁钢，接地网埋深0.8 m[14,20-21]，入地电流25 kA。接地网站在(-50，50)、(50，-50)、(50，50)、(-50，50)地点围成的区域如图2所示。

图2 接地网模型

2.3 设计标准的选取

基于IEEE 80—2000的标准，对接地系统进行安全评估时，接触及跨步电压安全值依据表2中的相关数据计算得出。

表2 接触电压及跨步电压安全值的计算依据

3 故障电流入地点的影响

在仿真计算时需考虑故障电流流入地网的不同位置对电力系统的影响。选取(0，0)、(20，30)、(40，40)、(50，50)4个故障电流入地点进行仿真计算。结果表明，当故障电流入地点在边角地带时接地电阻和最大跨步电压值较大，具体见表3。

表3 短路电流入地点对接地电阻、最大跨步电压和最大接触电压的影响

4 土壤电阻率的影响

将土壤结构设置为单层，土壤电阻率选取见表4。在坐标(-53，-53)、(53，-53)、(53，53)、(-53，53)所确定的地表范围内进行观测计算，土壤电阻率的影响结果见表4。

表4 接地电阻和跨步电压及接触电压随土壤电阻率变化的情况

5 网格间距的影响

图3为不等间距接地网模型。将网格间距为5、10、20 m及不等间距的模型仿真计算结果列于表5。从表5中可以看出，网格间距越大，接地电阻和跨步电压越大。当接地网面积确定之后，接地网间距越小，接地网的散流性能越好。在网格间距最大处多设置一些水平导体来降低接地电阻和跨步电压。

图3 不等间距地网模型

表5 不同的网格间距对接地电阻和最大跨步电压的影响

6 垂直接地体的影响

6.1 垂直接地棒的影响

在接地网的节点焊接2.5 m长垂直接地棒，材料为热镀锌扁钢，截面等效半径为30 mm，相对电阻率(相对于铜)为8；相对磁导率(相对于真空)为250，接地网距地面0.8 m，网格间距10 m，垂直接地棒的布置如图4所示[22-23]。接地电阻值为0.535 423 6 Ω，站内跨步电压的分布如图5所示。

最大跨步电压所在的位置位于(50.10，50.10)到(50.67，50.67)范围内，最大值为763.984 V，比不加垂直接地棒时的最大跨步电压值763.346 V减小了15.638 V，接地电阻0.535 423 6 Ω，比不加垂直接地棒时的电阻值减小了0.006 962 4 Ω。可见，增加垂直接地棒对接地系统的安全影响不是很明显，但却大大增加了接地网成本。

图4 带垂直接地体的接地网

图5 变电站内地表跨步电压的分布

6.2 深井接地体的影响

在接地网的4个顶点处添加不等长度、直径为50 mm的垂直接地体模拟深井接地体的情况，接地电阻值以及变电站最大跨步电压和最大接触电压的变化值见表6。

这种情况下，跨步电压最大值比不加深井接地体的651.922 V分别减小了44.083、162.422、167.580、168.807、172.195 V；接地电阻比不加垂直接地体时的0.540 720 9 Ω分别减小了0.013 937 4、0.025 779 6、0.027 094 4、0.027 719 6、0.029 126 5 Ω；接触电压最大值比不加深井接地体的4 121.716 V分别减小了46.706、862.996、939.327、1 000.813、1 002.167 V。

表6 接地电阻和最大接触电压及最大跨步电压随深井接地体长度变化的情况

深井接地体可以降低接地电阻值和跨步电压值，提高接地系统的安全性。随着深井接地体深度的增加，接地电阻值降低，变电站地面电位降低，最大跨步电压值以及最大接触电压值直线下降。该方法一般适用于变电站所在地区上层土壤电阻率很高而下层土壤电阻率较低的土壤结构。

7 圆弧形边角的影响

1)圆弧半径为5 m的地网。 接地网结构如图6所示，接地电阻0.541 233 0 Ω，阻抗角2.105 106°。变电站跨步电压计算结果如图7所示。

由图7可知，最大跨步电压值643.953 V位于变电站的对角线上(48.76，48.76)，比直角形边角时的763.984 V减小了120.031 V。

2)圆弧半径为10 m的地网。 当圆弧半径等于接地网网格间距时的地网模型如图8所示。

图8中，故障电流入地点位于接地网4个圆弧形边角的中点，接地电阻值0.542 571 3 Ω，阻抗角2.008 754°。变电站接触电压仿真计算结果如图9所示。

图6 地网圆弧半径为5 m时的圆弧形边角接地网模型

图7 地网圆弧半径为5 m时的变电站跨步电压分布

图8 地网圆弧半径为10 m时的圆弧形边角接地网模型

图9 接地网圆弧半径为10 m时的变电站接触电压分布

当地网4个圆弧形边角外的圆弧半径等于网格间距时，最大跨步电压为671.837 V，比直角时的763.984 V减小了92.147 V。所以，改接地网边角的直角形为圆弧形可大幅度降低跨步电压值。

8 外延水平接地体

对接地网的圆弧形边角处外延6根6 m长的水平接地体进行仿真计算，地网的导体布置如图10所示。计算结果为：接地电阻值0.530 698 1 Ω，阻抗角2.013 609°。电压的具体计算结果如图11和图12所示。

图10 带外延水平接地体的接地网模型

从仿真结果图9和图12中可以看出，在地网顶点圆弧形边角附近增加了外延6根6 m长的水平接地体之后，跨步电压值得到降低，但延长线端点处的跨步电压值却大大提高，变电站或发电厂围墙外的潜在危险性增加，在工程实际中不允许采用此降阻措施。

图11 带外延水平接地体的变电站跨步电压分布

图12 带外延水平接地体的变电站接触电压分布

9 增加表层土壤电阻率的影响

为提高变电站的安全标准，需增加表层土壤电阻率。增加表层土壤电阻率的常用措施是在地表铺一层砾石或者沥青混凝土等高电阻率材料。其中设计的高土壤电阻率的厚度为18 cm，故障切除时间为0.35 s。笔者模拟了安全阈值随地表土壤电阻率的变化情况，结果见表7。

表7 变电站电压安全阈值随附加地表土壤电阻率的变化情况

10 结 语

1)短路电流入地点在接地网边角地带时接地电阻值和最大跨步电压值及最大接触电压值较大，在工程实际中应极力避免这种情况。

2)在其他条件相同的情况下，接地电阻、跨步电压及接触电压随着土壤电阻率的增大而增大，可用参考文献[24]的方法来降低土壤电阻率。

3)接地电阻、跨步电压随着接地网网格间距的增大而增大，但从经济性的角度来看，减少接地网网格间距来降低接地电阻和跨步电压，并不合适。

4)增加垂直接地棒和深井接地体可以降低接地电阻值和最大跨步电压值，但效果不明显；采用深井接地降阻体适用于上层土壤电阻率很高而下层土壤电阻率较低时的情况。

5)半径等于网格间距的圆弧形边角地网相对于直角形边角地网可大幅度降低跨步电压。

6)增大表层土壤电阻率可以提高人体与土壤的接触电阻值，进而提高变电站的安全标准，这种降阻措施在实际中应用最多，效果也很明显[25]。

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(责任编辑:杜明侠)

Study on the Key Factors Influencing Safety of Grounding System

FU Xuewen, MA Zhenhong, WEI Zhijuan, GU Shuang, WANG Zhongliang, KONG Guoliang

(Xingtai Power Supply Branch, Hebei Power Company of State Grid, Xingtai 054001, China)

In order to provide some theoretic support for construction and technical transformation of grounding system, the key factors influencing grounding system were investigated. Adopting CDEGS software of Canadian SES Company and according to the soil structure in a engineering, the key factors influencing grounding system were obtained through simulating the fault current flowing into the positions, the soil structure, the mesh spacing of grounding grid, the quantity and shape of vertical grounding body, the grounding grid edge angle, the grounding grid epitaxial level grounding bodies and the surface soil resistivity in a converting station, the fault current in the grounding grid edge angle had maximum risk, the grounding reliability of grounding system could be raised by improving the shape of grounding grid and soil resistance, etc.

grounding system; grounding resistance; step voltage; contact voltage

2015-08-19

付学文(1983—)，男，河北邢台人，工程师，硕士，主要从事电力系统过电压与绝缘配合方面的研究。E-mail:fuxuewenok@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.02.016

TV513;TM862

A

1002-5634(2016)02-0087-06