变电站接地网安全评估方法

程 翔

（湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北 武汉 400040）

0 引 言

接地，就是把电气系统、电路或设备与大地连接，或者与范围广泛且能用来代替大地的等效金属导体连接，其目的在于确定与之相连接的导体电位大致维持在大地电位，能在线路或电气设备发生故障时为故障电流流回电源提供一条低阻抗的路径。

变电站接地系统除了保证设备安全外，更重要的是在故障时保障工作人员的人身安全。发生接地短路故障时，若接地网设计合理，就能够限制地电位升高、平衡地电位分布，减少工作人员受到危害[1-2]。

1 变电站接地网及其环境建模

1.1 变电站接地网建模

变电站接地网一般水平布置由金属网和垂直接地极构成。金属接地网一般由铜棒组成，常排列成边长数米到十米的矩形网格状，埋在变电站地下0.5 m深；垂直接地极一般由铜包钢或石墨制作，上端与水平接地网相连，下端埋入数米深的土壤中。

接地网的规模一般和变电站的占地形状与规模相当，但覆盖范围要包含变电站周边10 m。

1.2 变电站接地网环境建模

变电站接地网接地电阻与其所在的土壤性质有直接关系。一般通过文纳法对变电站接地网土壤性质进行测量，然后建立土壤分层模型。图1为四点文纳法测量原理示意图，将4个电极插入土壤，并在电极C1、C2间施加电压，测量C1、C2间的电流与P1、P2间的电压。调整电极的距离和插入深度，可以计算不同深度土壤的电阻率。对变电站各处进行测试，取各测量点的平均值，就可以得到该区域土壤的特征，进而建立土壤模型。

图1 四点文纳法测量原理示意图

根据测量到的结果，可以建立土壤的分层模型。一般可以将土壤分为表层土壤和深层土壤，有时会增加中间层。一般深层土壤较湿润，电阻率较小，而表层土壤电阻率较大。

2 变电站接地网安全性评估

对变电站接地网及土壤进行建模后，需要对接地电阻、故障时的接触电压与跨步电压进行计算。除了利用经验公式进行计算外，利用CDEGS软件可以更方便地获得更准确的计算结果。

2.1 接地电阻与地电位升高

在CDEGS软件中建立变电站接地网的模型，并指定故障电流进入地网的位置以及电流大小，即可计算出其等效接地电阻。按照规程规定，一般接地电阻RG应满足：

其中，IG为注入地网的故障电流，5 000为电压。

同时，故障电流入地网将会在地网上形成压降，从而引起地电位升高，对设备及地面上工作人员造成安全隐患。例如，图2展示了某500 kV变电站接地网的接地电阻以及注入31.5 kA故障电流后的地电位升高。该接地网水平接地体为直径13.4 mm的铜棒，埋深0.5 m，网格边长10 m；垂直接地体为长6 m的铜包钢棒。从计算结果可知，总接地电阻满足规程要求，而发生接地故障时的地电位升高约为3 151 V。

图2 接地电阻及地电位升高

2.2 接触电压计算

变电站的工作人员站在地面上，由于地网电位升高，土壤电位也会改变，因此人手触摸较高的物体时与脚之间会产生电位差，即接触电压。

接触电压与地网电位升高、土壤电阻率及地表物质电阻率都有关，其安全限值与故障清除时间也有关，一般故障清除时间越短，安全限值越高，即尽快清除故障有利于保护变电站工作人员人身安全。图3为某变电站的接触电压分布，在安全限制以下的区域用白色显示。

图3 采用10 m网格接触电压分布

由图3可知，该接地网设计存在安全隐患，接触电压超过了安全限制。

2.3 跨步电压计算

接地故障时地面电位升高，且电位随位置变化，变电站工作人员在地面上行走，两脚之间会形成电位差，即跨步电压。与接触电压类似，跨步电压也受到地网电位升高、土壤电阻率及地表物质电阻率影响，其限值与故障清除时间相关。一般跨步电压的安全限值更容易满足。只要接触电压满足规程规定的安全限值要求，那么跨步电压也会满足要求。图4为采用10 m网格跨步电压分布。

图4 采用10 m网格跨步电压分布

由图4可知，该变电站跨步电压分布，白色部分为安全限值以下区域。该变电站及周边区域跨步电压均在安全限值以内。

2.4 接地网安全性能优化

初步设计的接地网不能满足安全性要求。为了使接触电压满足规程，可以将水平接地网的网孔加密，以进一步降低接地电阻[3]。此外，在地表铺设一层电阻率较大的隔离层，也可以降低地表工作人员的接触电压。将接地网网孔改为边长2.5 m，同时在变电站地表铺设一层15 cm碎石，碎石的电阻率约3 000 Ω·m，比土壤要大的多。

图5和图6展示了优化变电站设计后的接触电压与跨步电压分布。对接地网设计进行调整后，变电站内的接触电压与跨步电压都在安全限值以下，满足了安全性要求。

图5 采用2.5 m网格接触电压分布

图6 采用2.5 m网格跨步电压分布

3 结 论

本文介绍了变电站接地网安全评估的一般方法。对接地网及其环境进行建模，再利用CDEGS软件计算各安全指标，从而对变电站接地网安全性作出评判，并给出对应建议。