变电站接地网的冲击特性研究

汤 力，宁 骁，苏 敏

（1.国网湖北省电力有限公司孝感供电公司，湖北孝感 432000；2.中乾立源工程咨询有限公司汉阳分公司，武汉 430050）

引言

在电力系统的运行过程中，很可能会受到外界环境的干扰，其中雷击是引发电力系统安全事故的一个重要原因[1]。当变电站受到雷击时，雷电产生的雷电流可能会引发变电站事故，严重时可能会影响电力系统的安全稳定运行。因此，变电站的接地网接地保护成为了防止发生变电站雷击事故的一大重要举措[2]。

接地网敷设于地下，当变电站受到雷击后，产生的雷电流会沿着接地网泄流，此时雷电流会在接地网周围形成一个较大的电场。该电场作用于周围土壤时，可能会使土壤发生非线性电离，进而影响接地网的冲击特性[3]。基于此，本文首先阐述了变电站接地的作用，然后分析了土壤非线性电离的物理过程。基于上述研究，计算了不同因素影响下地表电势的变化。

1 变电站接地网的作用

在电力系统中，为保障设备的安全与可靠，常需要对设备进行接地保护（见图1）。当设备遇到雷击时，产生的雷电流可以通过接地通道泄流，即可保证设备的安全。变电站的接地保护基本可分为以下4类[4]：（1）工作接地：为保障电力系统安全运行所设置的接地保护；（2）保护接地：为防止设备绝缘损坏所设置的接地保护：（3）雷电保护接地：为防止设备被雷击而发生损坏所设置的接地保护；（4）防静电接地：防止静电对设备产生损害所设置的接地保护。

图1 埋地电力电缆

2 土壤非线性电离的物理过程

根据电磁场理论，当电流流过导体时，会在其周围产生一个电场，该电场的电场强度与电流的大小密切相关。因此，当变电站遭遇雷击时，雷电流沿着接地导体泄流，此时雷电流会在接地导体周围产生一个电场。随着雷电流的增大，该电场的电场强度也随之增强，导致接地导体周围土壤的电阻率随之减小。当雷电流达到一个阈值，即会将接地导体周围的土壤发生非线性电离，进而击穿。若此时该电场的电场强度还在继续增加，则可能导致土壤出现电弧放电[5]。

3 不同因素影响下地表电势分析

在对接地网冲击特性的研究中，地表电势的变化是一个重要内容。因此，分别对土壤电阻率、接地网埋深对地表电势的影响展开研究。

3.1 土壤电阻率对地表电势的影响

采用文献[6]的地网模型，分别计算不同土壤电阻率对最大地表电位升、接触电压、跨步电压的影响，计算结果如图2～4所示。

图2 土壤电阻率对最大地表电位升的影响

观察图2可知，随着土壤电阻率的增大，地表最大电位升越高，同时随着雷电流幅值的增大，地表最大电位升也呈现增大趋势。同时接触电阻与跨步电压也呈现相同的变化趋势（见图3～4）。

图3 土壤电阻率对接触电压的影响

图4 土壤电阻率对跨步电压的影响

3.2 接地网埋深对地表电势的影响

为研究接地网埋深对地表电势的影响，采用上述地网模型，分别仿真计算不同接地网埋深对最大地表电位升、接触电压、跨步电压的影响，计算结果如图5～7所示。

图5 接地网埋深对最大地表电位升的影响

图6 接地网埋深对接触电压的影响

图7 接地网埋深对跨步电压的影响

观察图5～7可知，随着接地网埋深的增加，最大地表电位升和跨步电压随之增大，而接触电压呈现减小趋势。而随着雷电流幅值的增大，最大地表电位升、接触电压、跨步电压均呈现增大趋势。

4 结束语

变电站作为电力系统的关键一环，其可靠性直接影响了电力系统的安全稳定运行。为避免变电站因雷击造成安全事故，变电站的接地网接地保护至关重要。为此，本文首先阐述了变电站接地的作用，然后分析了土壤非线性电离的物理过程。基于上述研究，计算了不同因素影响下地表电势的变化，为后续变电站接地网的研究提供了一定的参考依据。