降雨条件下高压变电站接地系统安全性研究

李俊毅 陈海云

摘要：接地网的优化设计就是合理布置接地网中的水平导体，得以均匀导体的电流散流密度以及接地网地表的电位分布，提高导体的利用率，更好地确保人身和设备安全。本文基于降雨条件下高压变电站接地系统安全性研究展开论述。

关键词：降雨条件;高压变电站;接地系统安全性研究

引言

变电站接地系统是变电站的重要安全屏障：良好的接地设计可以将故障情况下的过电流充分流散到大地系统，从而将地电位的升高限制在合理范围内，确保电压水平在設备运行条件及绝缘水平可承受的范围内，同时使跨步电压与接触电压均在人员可承受的安全范围内，从而确保变电站运维人员的人身安全。

1降雨与土壤电阻率及接地系统安全性的关联关系

变电站所在区域的岩土电阻率主要受到水分含量、所形成的电解质溶液性质及相应浓度的影响，通常认为土壤的导电形式为离子导电。已有的研究结果表明，水分含量对于土壤电阻率有重要影响，通常含水量较高的土壤电阻率较低，而含水量较少的土壤电阻率较高。通常认为含水量在 10%以下时，含水量对土壤电阻率的影响相对较大，此时随着含水量的增加，土壤电阻率急剧下降：含水量从 2%升高到 10%，土壤电阻率降幅达 80%以上;而当含水量大于 10%时，例如从 10%增加到 25%时，土壤电阻率的下降幅度在 90%左右。上述统计数据表明，含水量对土壤电阻率的影响存在边际递减的效应，即当含水量增加到一定程度时，同样的含水量增加值引起的土壤电阻率下降值却大大减小，也即土壤电阻率的下降过程存在饱和特征，这主要是因为土壤中的水分大量汇集形成导电通道后，水分的继续增加对于增加土壤电阻率导电性能的作用大大减小，因此其对土壤电阻率的改变作用也开始变得微小。尽管含水量对土壤电阻率的影响存在边际递减与饱和效应，但是干燥情况下的变电站接地系统表层土壤的电阻率仍然比降雨条件下的土壤电阻率高很多倍。因此，有必要仿真计算降雨对上述参数的影响，获取降雨对变电站接地系统安全性的影响规律。

2不同接地方式对变电站人员安全的影响

由于天气影响产生的故障因素，例如雷电、大风、冰雹、大雪等恶劣天气，此时配电线路极易因为断杆、断线、变压器烧毁、绝缘体熔断等问题出现接地故障。低压配电系统对人的电击危害，往往是电位差而不是电位本身造成的。根据GB14050《系统接地的型式及安全技术要求》，电气装置发生带电部分与外露可导电部分之间的故障时，人可接触部分的交流电压不可大于 50V（有效值），所配置的保护电器对需用手移动的设备应能在 0.4s内自动切断发生故障部分的供电，对配电回路或只给固定设备供电的末端回路则不能超过5s。如果不能满足，则应采用总等电位联结或辅助等电位联结措施。对可能采用分布接地的中、小型变电站，站用低压配电系统采用在中性线 N与保护地线 PE在电源侧一点接地的 TN-S方式时，电源接地点的电位会沿 PE线传至用电的所有设备外壳。为限制可接触电压，电源侧接地电阻需满足 Rw（Ω）≤40～50（V）/Ik（A）的条件。如不能满足则应改变接地方式或通过细致的等电位连接消除危险。局部采用TT制的设备，因人站立处的电位与设备外壳相同，电源侧短路不会对末端产生危险;但因末端设备保护接地电阻 Rw1通常较大，当末端发生相线对外壳的短路时，保护电器多数难以及时切除不大的短路电流，规范要求增设剩余电流动作保护装置或结合采用等电位联结等间接接触防护措施来满足要求，高压交流变电站的高压部分往往是关注的重点，实际高压变电站的交流低压系统对变电站的安全运行也起着重要的作用。但高压变电站有大量高压电气设备而使站内电磁环境大不同于普通民用场合，高压变电站低压配电系统应根据变电站的特点进行设计。高压变电站低压交流系统的设计目前还没有获得应有的重视。

3降雨条件下的高压变电站接地系统安全性

变电站接地系统的接地电阻均随地表土壤层厚度的增加而减小，但在不同的地表土壤层厚度区间内，其减小的规律并不一致。按照地表土壤层厚度的区间不同，可分为3个区间进行讨论分析。①当地表土壤层厚度小于接地网埋设深度时，接地电阻随地表土壤层厚度的增加而缓慢减小。值得注意的是，降雨条件下的土壤电阻率更低，从而导致在该区段内接地电阻的下降更多。这主要是因为流经地网的故障大电流会从地表低阻层通过，低阻层的土壤电阻率与厚度越大，则对电流流通的分散作用越大，因而使得接地电阻的降低越明显。②当地表土壤层厚度与接地网埋设深度接近时，接地电阻会有一个快速短暂的减小过程，并且变化过程中接地电阻变化量大小与土壤电阻率有关。土壤电阻率越低，则这个变化量越大，因此降雨条件下的土壤电阻率的减小量明显比干燥条件下的减小量大。产生上述急剧变化的原因是地表低阻层厚度大于接地网埋设深度时，地网将处于地租层中，此时流经地网的故障大电流可以从地租层形成泄流通道，因此接地电阻急剧降低。③当地表土壤层厚度大于接地网埋设深度时，接地电阻同样随着地表土壤层厚度的增加而减小，但土壤电阻率小时，接地电阻降低的幅度更大，也即降雨条件下变电站接地电阻的减小幅度比干燥条件下的减小幅度更大。

当地表低阻层的厚度低于接地网埋设深度时，接触电压将随土壤电阻率的减小而增加，当电阻率较小时，地表低阻层将导致接触电压的增幅超过 40%。而当低阻层的厚度大于接地网埋设深度时，接触电压则随着低阻层电阻率的减小而减小。降雨条件下跨步电压随地表电阻的减小而减小，且此时受到影响的土壤层越薄，则影响程度越小。例如，当地表低阻层的电阻率为 10Ω·m且地表土壤层厚度为 0.1m时，接触电压比正常情况下的接触电压增加 40%左右，但是降雨条件下土壤层厚度为 1.25m且电阻率保持不变时，接触电压只有正常情况下接触电压的 35%左右。

根据某 220kV变电站进行抽象建模，利用数值仿真的方法，研究了降雨条件下的高压变电站接地系统安全性。仿真结果表明：①降雨条件下，地表土壤层厚度从地网上表面跨越变化到地网下表面时，会引起接地电阻的快速短暂变化过程，且降雨条件下的土壤电阻率越低，则接地电阻减小的幅度越大。②地表低阻层厚度小于接地网埋设深度时，接触电压高于正常情况时的接触电压，且其影响随着低阻层电阻率的减小而增大。当低阻层厚度大于接地网埋设深度时，接触电压随低阻层电阻率的减小而减小，且低于正常情况下的接触电压。③降雨形成的地表低阻层有利于减小跨步电压，对人身安全有利，但是其可能引起接触电压的上升，因而增加安全隐患，必须加以防范。

结束语

当发生雷击时，如果泄流不顺，反击会造成二次设备或电缆绝缘层被击穿，高压、脉冲电流窜入变电站综自保护系统，使得保护设备可能会发生误动、拒动等故障，导致停电、设备损毁等事故，造成严重的经济损失和负面社会影响。当电力系统发生接地故障或有大电流入地时，如果变电站接地网电阻较大，则可能会造成地电位异常升高，危害设备及运检人员的安全。为了有效保护变电站内电气设备及运检人员的安全，保障电力系统正常运行，减少由于雷击及其他故障大电流造成的危害，将变电站接地电阻限制在一定水平是昀有效的方法。因此，变电站接地网的设计尤为重要。变电站接地网的设计首先根据变电站昀大运行方式下的入地电流和土壤电阻率等基础数据进行接地计算，选择合适的接地材料和接地网敷设方式。若常规接地网设计无法满足接地电阻要求，可参照变电站布置型式参考条件适当放大需求值，并校验跨步、接触电势。

参考文献

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