关于变电站站内外电气设备接地系统的研究

关于变电站站内外电气设备接地系统的研究

刘峰

（天津津电供电设计所有限公司天津市300250）

摘要：本文从变电站的电气设备接地系统大致情况入手进行介绍，通过现有接地系统设计问题的分析来对传统接地网络进行审视，并提出了对接地系统进行优化设计的方法。

关键词：变电站；电气设备；接地系统

1变电站电气设备接地系统概述

1.1接地系统的作用

接地系统对于维护电力系统的安全可靠运行以及保障电气设备与运行人员安全有着至关重要的意义。优良的接地系统是保证电力系统平稳工作的重点，变电站接地系统的作用体现在：

①把事故电流与恶劣天气电流第一时间分散到土地中，保证变电站中的电气设施不遭受反击过电压的破坏；

②保证站内工作者在事故状况下，不遭受由于地电位上升而造成的生命危害。

1.2传统接地网的布局及常用降阻方法

设计变电站接地系统时，传统方法是以水平接地网为主，在水平接地网不满足安全要求时添加辅助极，使整个接地系统达到变电站运行安全水平。而对水平接地网均压带进行设计时，一般又常采用等间距布置。这种设计存在一个严重问题：由于处于中间位置的导体得不到很好的利用，散流电流密度很小，接地网络的边缘处网孔数量不足，其导体散流电流密度要比中间导体的密度高很多，所以导致边缘地点的电位呈现很高的梯度，另外接地网络边缘地点的接触电压要比地网中间的电压大很多。对于接地网电阻，常见的降低其阻值的方法有：增大地网面积、增设接地体、采用降阻剂或局部改进接地网络周边土地的电阻率、电解离子接地网、深孔爆破制裂压灌等。增大地网面积是降低地网接地电阻最为有效的措施，然而，随着面积的增大，电流密度的不均匀也在增加，降阻的效果逐渐趋于饱和。因此，当地网面积增大到一定程度，效果明显减弱，并且，增大面积亦会大大增加投资。增加接地物体是利用增加水平方向的接地物体、增添且埋设垂直方向的接地物体而实现降低阻力的目标，水平方向的接地物体可以在很大程度上降低接地极周边电流的密度，可是因为互相间的屏蔽功能而让成效遭受一定程度的影响。增添且埋设垂直方向的接地物体，立足于降低冲击接地电阻的角度而言，一般有一定程度的成效，可是立足于减小地网工频电阻的角度而言，成效十分有限。

1.3传统接地系统在设计中的常见问题

随着我国电力工业的发展，因接地系统出现的安全问题越来越严重，然而目前对于接地系统设计仍然采用传统的设计方法，这种方法主要存在以下一些问题：

①没有注重土壤的分层问题。大部分变电站所在的土地架构较为繁杂，深层次土壤对接地系统的阻抗有很大程度的影响，将其当作均匀土地来看到会形成较大误差；

②等间距设计接地网络。受到外部物体的电流屏蔽功能的影响，处于中间位置的导体不能很好地利用；

③经验公式仅适合在距离相等的状况下布设接地网，在距离不相等的状况下布设接地网的时候不能使用经验公式；

④通过经验公式，无法获得变电站中任何一个点的地电位升、跨步电压与接触电压，所有对于接地网的安全十分不利；

⑤未曾注重接地网的不等电位性。如果是大规模的变电站，存在非常严重的不等电位问题，这样势必会造成接地系统的理论设计值与实际运行结果存在较大误差；

⑥未曾注重其余和接地系统连接的地面以下的金属物体抑或其他接地物体的影响。

综上，传统的变电站接地系统设计方法已经很难满足复杂条件下接地网的安全性要求。因此，为保证变电站安全稳定运行，急需要提出新的更为有效的接地系统优化设计方法。

2水平接地网及变电站围墙边缘的电位梯度问题

当发生工频接地短路时，流入大地的电流将会在变电站内部及其周围产生电位梯度，对附近人员和设备造成危害。站内的电位梯度一直是人们关注的重点，通过对站内接地网的优化布置和其他均压措施，可以得到较高的控制。实际上，变电站围墙周边的电位梯度所造成的问题更严重，但是始终未曾得到应有的关注。图1展现了接地发生短路的状况下接地网外部的地电位状况。由下图可知，在地网的边角，通常是围墙的地点，电位分布梯度很大，和边角位置愈远的地方，电位分布梯度愈小，所以，应当格外关注围墙边角地点的电位梯度的问题。下图中的US代表的是变电站周边工作者两只脚中间的电位梯度，也就是跨步电压，指的是接地发生短路状况下，电流从接地设备经过流入土壤的时候，地表上间隔为0.8米的2个点之间的电位差。

有关规章对跨步电压US的区间进行了有关限定，在接地网设置与改进的时候也将其当作标准，可是事实上，一方面应注重因为电位梯度导致的跨步电压对工作人员生命安全产生的影响，另一方面还应关注电位梯度与别的物体造成的损坏，因此，对变电站围墙边缘处的电位分布，不只要满足规程对跨步电压的规定，还需要提高其均压水平，防止造成事故。

3变电站电气设备接地系统优化设计

3.1水平接地网不等间距布置

通常，一般接地网是采用等间距的方式布设，也就是两个接地体中间的距离大概相同。而采用不等间距的方式布设接地网主要是考量到接地网对位于中间位置的一些导体的屏蔽性，接地体的布设应当是中间位置稀疏，边缘位置紧密，让每一个接地体均得以全面运用。

3.2采用环状均压网优化围墙边缘电位分布

对于变电站围墙边角位置的电位梯度问题，运用环形的网络对围墙边角位置加以优化。环形均压网络主要包含两个部分，一个是沥青带，另一个是立体均压环，具体的架构见下图所示。沿着变电站围墙外部的四边敷设宽为1.5m-2.0m的环形的沥青混凝土，另外间隔15m到20m设计1个立体均压环。每一个立体均压环都运用φ10镀锌圆钢制作为立体圆柱形状，填埋深度为0.8m，高度也同样是0.8m，直径是1.5m-2.0m，立体均压环大多包括三个部分，一个是顶部圆环，一个是底部圆环，还有一个是垂直连接体，顶部和下部的圆环由四根连接物体连在一起。立体均压环由接地体连接在一起构成封闭的环形状的接地设备，因为转弯地点有很大的电流密度，可考虑把转弯地方设计为圆弧形状，且进行显著的标识，提示人们在雷电交加的时候不要靠近接地网。

运用沥青带和均压环一同构成的环形均压网架构，能够起到理想的均压成效：

①在同墙周边运用立体均压环，能够在很大程度上改变流入位置的散流成效。不但较好地扩大了散流面积，另外还让电流入位置的电流可以更加均匀的散流，改进了围墙边角位置的电位分布。

②在地面表层铺装沥青带此种具有很高土壤电阻率的事物，尽管无法避免围墙周围的地电位上升，可是对于在人类与动物身上产生的接触电压和跨步电压的均匀功能是十分显著的。人类能够承受的接触电压和跨步电压在很大程度上是由地表的土壤电阻率决定的，可利用提升地表土壤电阻率的方式来提升身体与地表间的接触电阻，进而实现提升身体能够承受的跨步电压的目标。

结束语

当前国家建设的现代化电网正逐步向远距离、超高压和大容量方向发展。为满足现代化电网的安全可靠运行，势必要求一个良好的接地系统与之相匹配，以将发生短路故障的短路电流或雷击电流等迅速有效地排泄至土壤中。因此，对变电站接地系统的优化设计的研究是非常重要的，如何建立一个符合电网安全运行要求的变电站接地系统，是电力工作者共同关注的课题。