接地网短路电流分流系数及其地电位研究

在传统的变电站接地网设计中判定其是否满足使用需求，一般通过判断电阻值是否满足要求这一指标进行衡量[1]。在以往的研究理论中，以及经过大量的实验，表明在接地网的实际施工设计中可降低对接地电阻的要求，但接地网设计中的接触电压与跨步电压对设备的影响不可忽略，接触与跨步电压的数值计算通过接地网地表电位实现。两项电压是在进行变电站接地网设计中不可忽视的重要因素[2]。

1 入地故障短路电流分析计算

在进行接地系统安全指标的计算与分析中，主要以入地故障短路电流为基础。当变电站的工作系统在运行中出现短路故障时，此时电流大部分在中性点的作用下自动流回系统当中，一部分电流经由接地网流入土壤。变电站内或站外系统发生故障时，通过接地系统，最大的流入土壤的电流值或是土壤流入地网的电流最大值为挂账电流最大值，这一数值有利于评估接地系统的设计参数[3]。接地网的设计参数选择时，选用参数一般是最大入地短路电流。可应用以下步骤完成对最大接地短路电路的计算：

接地故障对称电流If的确定：接地网故障电流分流系数Sf的计算依靠系统参数与设计线路，由分流系数计算得出入地对称电流Ig。短路在变电站内、外的表现有所不同，接地对称电流的计算公式为：Ig=（Imax-In）Sf1，Ig=InSf2，式中Imax为系统故障时最大接地故障电流在数值上的有效值（A），In为站内发生接地故障时流经设备中性点的电流（A），Sf1、Sf2表述为分流系数，即变电站内、外发生接地故障时；衰减系数Df的计算，最大接地故障不对称电流有效值IG在数学关系上是衰减系数Df与入地对称电流的乘积。在《交流电气装置的接地设计规范》GB/T50065-2011的附录B 中，Df具体对应值在表B.0.3中有明确对应。进行变电站的内外接地故障的分流系数确定的原理与方法过程如下。

1.1 当站内发生接地故障时系统中对应的分流系数Sf1的计算

当变电站系统运行时出现单相接地故障事故时，假设杆塔接地电阻与每个档距内的导线参数相同（图1）[4]。

图1 站内接地故障示意图

零序电流在架空线路不通位置的计算见公式：

式中，ZS为地线阻抗在单位长度上的数值（Ω/km）；Zm为地线与相线之间在单位长度上的互阻抗（Ω/km）；D为档距的平均长度（km）；rS为单位长度地线电阻数值（Ω/km）；aS为将电流化为表面分布后的地线的等值半径（m）；k为地线的数量；DS为地线之间的距离（m）；Dm为地线之间的几何均距（m），单地线时双地线时为地线对地的等价镜像距离，ρ为大地等值土壤电阻率（Ω·m）。当时n=1时，可以根据以下公式进行对分流系数的计算：

当s＞10时，简化Sf1，获得公式：

1.2 分流系数在出现站外接地故障时的计算

图2 站外接地故障示意图

在站外发生如图2所示的单相接地故障时，零序电流在不同位置流过的电流数值可以利用如下公式计算：

当n=s时，将e-β计算表达式中的杆塔接地电阻R 替换原本的Rst，依据如下公式进行对分流系数Sf2的计算：

当s＞10时，对Sf2的形式进行简化，求得公式：

在上述公式中，变电站内外的相关公式计算系数代表的含义相同。

2 接地电阻相关要求

关于接地电阻的相关设计要求，当前主要参照的规范是《交流电气装置的接地》DL/T621-1997。接地电阻值不满足的情况下，接地电阻的数值增加不应大于5Ω。

关于高土壤电阻率地区对接地电阻的要求可以参照《电力工程电气设计手册》。当在高土壤电阻率地区，即ρ＞500Ω·m，如果只考虑接地电阻的数值，那么必然会在经济上造成损失浪费，所以在此地区的电阻允许值可以适当降低。在短路电流流入大地情况时，可以将电阻值放宽到5Ω，同时不可忽视对接触电压与跨步电压的校验。当在独立避雷针系统设备中接入电阻值时，这一电阻值的数值应当小于10Ω，在变电站接地网的实际施工过程中，如果难以实现设计要求，那么对接地电阻的数值要求可以采用放宽处理。避雷针中的接地装置与主接地网相连，二者在连接长度上有规定，即35kV及以下设备和主网连接点连接时，其长度应大于15m，同时对空气中距离与地中距离进行检验[5]。

3 地电位升及相应隔离措施

3.1 地电位升的确定分析

在变电站中，接地网的电位上升与二次设备安全之间存在着极为密切的关联。变电站接地系统出现故障时，相应的地表电位数值会随之升高，二次电缆通过绝缘保护套与大地相连，激增的电位会对二次电缆造成不可逆的伤害。

在我国的电气标准规范中明确规定地电位升不大于2000V，详见《交流电气装置的接地》DL/T621-1997，这一数值规定源自二次电缆设备外部的绝缘保护难以抵抗高电压，可以假设一种环境，变电站接地系统出现短路故障，但是感应电压并未出现在二次电缆芯线上，那么此电压为二次设备及屏蔽层电压。

以单端接地的方式进行电缆连接时，如果短路故障发生时，屏蔽层中并未有电流流入流出，则可以忽略电缆芯线感应电压，交流耐压值决定了地电位升；应用双端接地方式处理电缆，短路故障发生时，较高的感应电压会表现在芯线周围，主要是流经的电流导致的，形成较小的电势差。在变电站内，两个不同测试点之间的电位差的数值不会超出地网电位升数值幅度的40%，根据这一实践原理数据，充分考虑到极端的环境情况与设备受到其他因素干扰的情况，应用二次电缆进行双端接地的条件是其数值达到2kV，通过40%的范围区间，则放宽地电位升到2000V/40%=5000V。

3.2 工频反击过电压及其隔离措施

当变电站在高土壤电阻率地区实际施工中，对于难以满足大接地短路电流系统要求的电阻值设计值时，可以降低对电阻值的要求，但同样不可忽视对接触和跨步电压的验算工作，变电站内的3～10kV阀型避雷器即使在电位升高时也不动作，将变电站内电位进行隔离。

3.2.1 3～10kV阀型避雷器的工频放电电压验算

在变电站的接地电阻系统发生短路故障时，导致部分短路电流直接流入土壤，此时对于变电站内3～10kV阀型避雷器动作来说，电位的升高极容易导致其发生爆炸。为解决这一隐患问题，整个变电站内的整体接地电阻的数值不应过大，其中计算允许接地电阻公式为：

式中，Ugf为3～10kV阀型避雷器工频放电电压下限值（kV）；I为短路电路在计算用的数值，并且此值需要计入短路电流的非周期分量（kA）；Ue为额定线电压。

3.2.2 隔离接地电位在低压线路中的措施

对低压线路进行一定的隔离处理，是防止低电位引入与高电位引出的情况发生。应用绝缘性强的架空线路将变电站区域外的低压线路引出，电源的中性点接地位置设置在户外，为了避免引出高电位，接地形式为单独接地；将变电站外的低压线路引出，当低压避雷针安装在电源侧时，应当接入一个额定电流为5A的一组熔断器。隔离接地电位的操作是将处于接地网中的暂态电位升高，激发能量使避雷针对其造成击穿，形成短路与熔断熔体；对用户的供电应用电缆实现应用户外接地的只有电源中性点。