毕业论文-发变电站接地安全设计

作 者：专 业：班 级：学 号：指导老师：发变电站接地安全设计

2013年4月20日

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景 1.2 研究意义

1.3 本文所做工作

第2章 接地的基本原理

2.1 接地的概念 2.2 接地的作用 2.3 电气接地的分类 2.4 土壤电阻率 2.5 接地电阻

2.6 跨步电位差和跨步电压

第3章 发变电站接地网设计

3.1 概述

3.2 发变电站地网设计的总原则 3.3 地网的设计步骤和方法

第4章 降低接地电阻的方法

4.1 扩大地网面积

4.2 增加接地网的埋设深度 4.3 用自然体接地 4.4 引外接地

4.5 使用接地降阻剂

第5章 接地参数测试

5.1 土壤电阻率测试 5.2 接地电阻测试

5.3 影响接地参数测试的因素 5.4 接触电压和跨步电压测试 5.5 冲击接地参数测试

结论

参考文献 致谢

发变电站接地安全设计

摘要：变电站的接地网是确保变电站工作接地、保护接地和防雷保护接地的必要设施，也是 保障人身和设备安全、保证变电站可靠运行的重要手段。在我国的电力发展史上，曾多次 出现因接地网设计不当造成的停电事故和安全隐患，因此，接地网的安全应引起电力部门 的高度重视。特别是近年来我国经济的快速发展推动了电力负荷需求节节攀高，为了满足 负荷日益增长的需要，变电站正朝大容量、特高压、紧凑型方向发展。接地短路电流越来 越大，同时国家政策要求新建工程要少占或不占良田好土，建在高土壤电阻率地区的变电 站越来越多，这些因素给变电站接地设计和施工造成了困难。为确保变电站投运后接地网 的安全， 就必须把好接地网设计这一关，从源头上减少和排除接地网出现故障的隐患。

随着电力系统规模的不断扩大，电力系统中对变电站接地网的要求日益严格，接地系 统的设计也日益复杂。变电站地网除了对接地阻抗有要求外，还对地网结构、使用寿命、 跨步电位差、接触电位差等提出了较高的要求。因此，一个科学、完善、系统的变电站接 地设计应突破只做降阻设计的思路，综合考虑各方面的要求，形成完整的设计方案。

关键词：变电站、地网设计、接地阻抗、测量

第1章 绪 论

1.1 课题背景

接地技术作为一门新兴的边缘学科，主要是建立在电学理论基础之上的。这门学科的兴起及其发展与电学比较，晚了近90 年。

1981年，美国学者G夏里克(Sharik)指出：“接地技术不能列为一门精密的科学，在 很大程度上它是一种理论科学、实践经验和个人心得的综合技术。”

日本学者高桥建彦指出：“与其说接地是理论，倒不如说是一种现场必须反复进行实 践的技术。这是因为大地的电气特性有许多不确定的因素，不能用一句话简单地下结论，并且在很多场合不能纸上谈兵，只能通过理论计算就得出结论。接地是越想深究其问题就越是深奥的技术，不是能轻易解决的一门学问。”

1.2 研究意义

电力系统的接地问题是一个看似简单、而实际上却又非常复杂又至关重要的问题，它 直接关系到人身和设备的安全。特别是随着电力系统的发展，电网规模不断扩大，接地短路电流越来越大，各种微机监控设备的普遍应用，对接地的要求越来越高。

在电力系统中为了工作和安全的需要，常需将电力系统及其电气设备的某些部分与地 中的接地装置相连接，这就是接地。接地网不仅为变电站内各种电气设备提供一个公共的参考地，而且在系统故障时可将故障电流迅速排泄，降低变电站的地电位升高，以保证人身和设备安全。调查表明，我国曾发生多起因接地系统接地电阻未达到要求所导致的事故或事故的扩大。据统计，每发生一次事故的直接经济损失都在几百到数千万元，并且间接所造成的社会影响也非常之大。

1.3 本文所做工作

1998 年1月我国开始实施的中华人民共和国电力行业标准《交流电气装置的接地》(以下简称《行标》)是目前国内接地网的设计准则。《行标》中给出了接地阻抗、接触

电压和跨步电压等接地参数的解析计算公式，这些解析计算公式是基于国内科研工作者近十多年的研究成果。

本课题主要对接地网的优化设计方案进行研究。在吸取国外有益的经验，并结合我国 地貌实际情况进行设计。给出的建议对电力设计人员具有一定的参考价值。

第2章 接地的基本原理

2.1 接地的概念

所谓接地，就是把电气系统、电路或设备的某一部分通过接地装置同大地紧密连接在一起。其目的在于确定与之相连接的导体电位并使之大致维持在大地电位。接地是一种有 目的的永久性或临时性的导体连接，通过这种连接而使电路或设备成为接地的。

电气连接处与地相接触的导体称为接地体。若接地体为垂直埋设在地中的金属导体则 称为垂直接地体；若接地体为水平埋设在地中的金属导体则称为水平接地体；若接地体为一组水平埋设的金属导体网格则称为水平接地网。若接地体为水平接地网和垂直接地体共同构成则称为复合接地网。电气回路或电气设备与接地体之间的电气连线称为接地引线。接地引线、接地体统称为接地装置或接地系统。

接地功能是能过接地装置或接地系统来实现的。电力系统的接地装置可分为两类，一 类为输电线路杆塔或微波塔的比较简单的接地装置，如水平接地体、垂直接地体、环形接 地体等；另一类为发变电站的接地网。表征接地装置电气性能的参数为接地电阻，关于 接地电阻的内容将在后面的章节介绍。到目前为止，接地仍然是应用最广泛的并且无法用其他方法替代的电气安全措施之一。

2.2 接地的作用

接地的作用主要是防止人身遭受电击、设备和线路遭受破坏、预防火灾和防止雷击、防止静电损害和保障电力系统正常运行。防止人身遭受电击将电气设备在正常运行时不带电的金属导体部分与接地极之间做良好的金属连接，以保护人体的安全，防止人身遭受电击。

当电气设备某处的绝缘体损坏后外壳就会带电，由于电源中性点接地，即使设备不接 地，因线路与大地之间存在电容，此时人体接触到设备外壳时也会有电流流经人体；或者 线路上某处绝缘不好，如果人体触及此绝缘损坏的电气外壳时，电流就会经人体而成通路， 从而使人体遭受电击伤害。

有接地装置的电气设备，当绝缘损坏、外壳带电时，接地电流将同时沿着接地极和人 体两条通路流过，此时，人体与接地极是并联的关系，流过每一条通路的店里只将与其电 阻的大小成反比，接地极电阻越小，流经人体的电流也就越小。通常人体的电阻比接地极 电阻大数百倍，所以流经人体的电流就比流经接地极的电流小数百倍。当接地电阻极小时， 流经人体的电流几乎等于零，相当于接地极将人体短路，因此，人

体就能避免触电的危险。

所以，不论施工还是运行，在一年中的所有季节，均应保证接地电阻不大于设计或规范中所规定的接地电阻值，以免发生电击伤害。

保障电气系统正常运行：电力系统接地一般为中性点接地，中性点的接地电阻很小，因此中性点与地之间的电位差接近于零。当相线碰壳或接地时，其他两相对地电压，在中性点绝缘的系统中将升高

为相电压的 3 倍，而在中性点接地的系统中则接近于相电压，因此中性点接地将有利于系统的稳定运行，防止系统震荡，且系统中的电气设备和线路只需按相电压来考虑其绝缘 水平，可降低电气设备的制造成本和线路的建设费用。中性点接地的系统，还可以保证继电保护的可靠动作。通信系统一般采用正极接地，可防止杂音窜入和保证通信设备的正常运行。电力线路需要稳定的参考点才能正常运行，因此也需要进行接地。

防止雷击和静电的危害：雷击时会产生静电感应和电磁感应，物料在生产和运输过程中因摩擦而引起的静电， 都有可能造成电击或是火灾的危险。直接遭受雷击的危害，比之于感应雷就更大了，而且发生的机会更多，所以，为了防止直击雷，必须装设防雷装置。所有防雷装置和防止静电危害的措施中，最主要的方法就是设置接地装置。

2.3 电气接地的分类

常用的接地方式按其作用或功能来分可分为以下几种。

(1)工作接地。也叫系统接地，为了满足电力系统运行方式的需要，在电力系统中的适 当地点进行，保证电力设备在正常或事故情况下能可靠工作而设的接地，称为工作接地。 如发电机和变压器中性点直接接地或经消弧线圈接地；在直流系统中还包括相线接地。

(2)保护接地。也叫安全接地，为防止电气设备绝缘损坏而使人身遭受触电危险，将与 电气设备绝缘的金属外壳或构架与接地极做良好的连接，称为保护接地。接低压保护线(PE 线)或接地保护中性线(PEN 线)，也称为保护接地。停电检修时所采取的临时接地，也属于 保护接地。

(3)防雷接地。将雷电流导入大地，防止雷电伤人和财产受到损失而采取的接地，称为 防雷接地。如避雷针、避雷线和避雷器等向大地泄放雷电流而设的接地。防雷接地装置只 是在雷电冲击作用下才会有电流流过，经防雷接地装置向地中散流的雷电流幅值可达几十 甚至几百千安，但持续的时间很短，一般只有数十微秒。

(4)屏蔽接地。将设备的金属外壳或金属网接地，以保护金属壳内或金属网内的电子设备不受外部的电磁干扰；或者使金属壳内或金属网内的电子设备不对外部电子设备

引起干扰。这种接地称为屏蔽接地。法拉第笼就是最好的屏蔽设备。

(5)防静电接地。将静电荷引入大地，防止由于静电积累对易燃、易爆，如易燃油、天 然气储罐和管道等设备以及人体受到损伤的接地，称为防静电接地。而油罐汽车后面拖地 的铁链子也属于防静电接地。

(6)逻辑接地。电子设备为了获得稳定的参考电位，将电子设备中的适当金属部件，如 金属底座等作为零参考电位，把需要获得零电位的电子器件接于该金属部件上，如金属底座等，这种接地称为逻辑接地。该基准电位不一定与大地相连接，所以它不一定是大地的零电位。

(7)信号接地。为保证信号具有稳定的基准电位而设置的接地，称为信号接地。 (8)防电腐蚀接地。在地下埋设金属体作为牺牲阳极以达到保护与之连接的金属体，如 输油金属管道等，称为防电腐蚀接地。牺牲阳极保护阴极的称为阴极保护。

2.4 土壤电阻率

人们为了进行正确合理的接地设计，需要了解电流在地中流动的分布规律，而地中电 流的分布规律除了和电流的频率有关外，还决定于大地的电学性质。表征大地电学性质的 主要参数是大地的电阻率、介电常数和磁导率。

据分析，在一般情况下，研究直流或工频接地时，可以把大地看成导体；而研究冲击接地时，在低电阻率地区，只需考虑传导电流的作用，只有在高电阻率地区，才需要考虑 位移电流的影响。电阻率是物质的基本属性，它非常明确地表征物质的导电性能。物质的电阻率是该物质单位立方体的电阻，用 表示，单位为欧姆·米，记为?·m。

将被测物质做成横截面为S,长度为L的几何体，夹在两电极之间，并通以电流，分别用电流表、电压表测出回路中的电流I和电极两端的电压 U，则电极间物质的电阻为

物质的电阻率与几何形状无关，而电阻则由其几何形状的大小决定。物质的电导率为 电阻率的倒数，用表示，单位为西门子/米，记为 s/m。

2.5 接地电阻

定性地说，电流通过接地极向周围大地无穷远出散流时大地土壤所呈现的总电阻，

称 为接地电阻。

接地电阻的定量定义是：假设在某个电极上流入接地电流 I，而接地极的电位比周围大地无穷远处高出U 时，则接地极电位U 对接地电流 I 的比值 U/I 称为接地电阻。这个定 义必须附加下述两个条件：

要使接地电流流向接地极，必须作出闭合回路，当然必须向大地打人另一个接地 极，然后将电源接入两个电极之间即可产生接地电流。这另外一个电极叫做辅助电极，要设置在离主接地极足够远的地方(理论上在无穷远处)。这样做可以忽略给主电极带来的影响。

接地极的电位上升必须以大地的无穷远点为基准(零电位)。这里所说的无限远点是 指即使有接地电流，电位也不变动的地点，即意味着与通电前的状态没有变化的地点。将这个地点作为电位的基准点(零电位)，因此，可以从电位上升值及其接地电流求出真正的接地电阻。

关于金属接地极自身的电阻：一般金属，例如纯铜的电阻率为ρ=1.7*106 ?·cm，而一般土壤(无岩石)的平均电阻率为ρ=1*104 ?·cm，它是纯铜电阻率的 57 亿倍。由于金属接地极自身的有效电阻极小，所以计算接地极接地电阻时常常忽略金属接地极自身的电阻。

关于接地极与土壤的接触电阻：金属接地极的表面通常都是很光滑的，而土壤是由微 小的固体颗粒组成的。两种物体接触实际是“点”接触，而不是“线”或“面”接触，所 以在接触界面处有接触电阻。一般说来，对同一类型土壤，打入的垂直接地极(角钢等)比 埋入式的水平接地极的接触电阻更小。但即使是水平埋设的接地极，由于埋设后要对回填 土层层夯实，再加上水平导体上面通常有 0. 6~0. 8m 土体的压力，所以也会逐渐接触良好。 就算有一些微小空隙，经雨水后，其空隙也会因土壤膨胀而接触良好，或被地下水填满小 空隙，形成良好接触，所以在接地极的接地电阻计算中也忽略接触电阻。

关于接地极周围土壤的电阻：电流在电极周围土壤散流时所引起的土体电阻是很大 的，土壤电阻率越高，阻力越大。这是接地电阻的主要部分。

由此可知，在接地技术中所定义的接地极的接地电阻，一般都忽略接地极的有效电阻 和接触电阻，实际上就只考虑接地极周围大地土壤的电阻。

2.5.1 直接计算法

接地电阻的大小等于接地极的点位升高与通过接地极流入地中的电流的比值，它与土 壤特性以及接地极的几何尺寸等因素有关。接地极的接地电阻可以通过电流场的求解得 到，电气设备大多在工频电源下进行，由求解恒定电流场计算得到的接地电阻，

在工频下 仍然适用。下面以半球形接地极为例进行讨论。

设金属半球的半径为r0 ，经它向地中流散的电流为 I，假定大地是电阻率为ρ(?·m)的均匀半无限大介质。

在距球心 O 的距离为r ( r r0 )处的电流密度为：

式中，当r=10r0 时，将有R=0.9R。可见离开接地极距离为接地极尺寸 10 倍以内的土壤电阻R’占接地极接地电阻的 90%，所以该部分土壤的特性对接地极接地电阻具有很大的影响。

由恒定电流场和静电场的相似性，可以很方便地利用静电场中已知的电容公式来写出 接地电阻的计算公式：

式中ε和ρ分别为土壤的介电系数和电阻率，C 为接地极对无穷远处的电容。由上式可以看出接地极的接地电阻和其电容成反比，在ε和ρ一定的情况下，接地极的电容与其几何尺寸成正比，因此，接地极尺寸越大，电容也越大，则接地电阻越小。在接地工程中， 接地网的尺寸一经确定，其接地电阻就基本确定，在接地网内增加导体对减小接地电阻的 作用不大，这就是由于内部导体被四周的导体所屏蔽，电流绝大部分都是由地网边缘导体流出的缘故。

一个由多根水平导体组成的接地网可以近似地当作一块孤立的金属平板，它的电容主 要由面积大小决定。如果在平板上装有较短的垂直接地体，不足以改变决定电容大小的几 何尺寸，电容增加不多，接地电阻减小亦不多。经大量的研究和分析，只有垂直接地极长 度可以和地网等值半径相比拟时，接地电阻才有明显的减小，例如在均匀土壤中，半径为 r 的金属圆盘在地表面时的接地电阻为

若在圆盘内密密麻麻打入无数根长短不同的垂直接地极，使之构成为半径为 r 的半球 形接地极，其接地电阻如式，在比较圆盘和半球接地极的接地电阻计算式可以发现，在同 样的土壤中，相同半径的圆盘和半球形接地电阻相比，半球形接地极只比圆盘接地极减小了36.3%。这个例子说明，众多的垂直接地极因相互屏蔽没有起到应有的散流作用，而白白地浪费掉了。

2.5.2 发变电站地网的接地电阻

为了均衡发变电站地面的电位分布，降低接触电位差和跨步电压以及便于设备和构架 的就近接地，发变电站的接地极必须做成由水平导体组成的网状结构，即地网。地网深埋h 一般在 0.6-0.8m，面积一般为发变电站的占地面积。

设发变电站的占地面积为 A，当该面积埋一块面积为 A 的金属板时，其接地电阻R1 可达最小值；若该面积的金属板更换成与金属板外轮廓相同的水平接地导体时，其接地电阻R2 将达最大值。如果把发变电站的占地面积用一等值的面积近似取代，则地网接地电阻的最小值R1 和最大值R2 可分别用圆盘电极和圆环电极的接地电阻计算公式估算，即:

到实际地网不是金属板而引入的修正项。它比前一项要小得多。R1 =0.435?，最大值R2 =0.734?。也就是说，即使我们把地网内全部铺满钢材，接地电阻也仅降低了

41%。这是由于内部导体被四周的轮廓所屏蔽，电流绝大部分由四周的轮廓流出 的缘故。可见，在地网内铺设很多钢材，对降低接地电阻的效果是不大的。由于R1 ，R2 相差不大，在估算实际地网接地电阻时，可以在R1 的基础上加修正项 R的方法略去埋深 h 的影响，把式(2-11)简化为

也就是说，当 =100?·m 时，为得到时 0.5? 的接地电阻，地网的面积不能小于 100×100m2

2.6.2 跨步电位差与跨步电压

跨步电位差：接地短路电流流过接地装置时，地面上水平距离为 0.8m 的两点间的电 位差，称为跨步电位差Ekb 。接地网外的地面上水平距离为 0.8m 处对接地网边缘接地极的电位差，称为最大跨步电位差Ekbm 。人的两脚接触该点时所承受的电压叫做跨步电压U kb 。

若人的两脚离半球中心的距离分别为rc 和rD ，则跨步电压为

显然，当接触电位差或跨步电位差超过某一安全数值时就会使人遭受触电事故。在接地安全计算中，最重视的是最大接触电位差Ejcm 和最大跨步电位差Ekbm 出现的位置。由于不同形状和不同埋深的接地极会有不同形状的地面分布曲线，因此。最大接触电位差

Ejcm和最大跨步电位差Ekbm 出现的位置与接地极的形式、尺寸以及埋深等因素有关，但可以肯定的是离接地极越近，其接触电位差和电势就越大。因此，最大接触电位差Ejcm 和最大跨步电位差Ekbm 一般都在接地极的附近。

对于给定的接地极，其直流接地电阻或工频接地电阻 R 总是一个给定的值(当土壤电 阻率给定时)，因此，最大接触电位差Ejcm 和最大跨步电位差Ekbm 的大小将随流入接地极的电流 I 或接地极的地电位 U=IR 变化而变化。但Ejcm 和Ekbm 总是小于接地极的地电

位 U。

第3章 发变电站接地网设计

3.1 概述

发变电站接地的主要目的是为了保障系统能够安全可靠运行，以及保障人身和设备的 安全，随着电力系统电压等级和不断提高和系统容量的不断增大，接地故障电流和发变电 站接地网的面积也不断增大，要确保为身和设备安全，维护电力系统的可靠运行，需要改 变仅强调降低接地电阻的传统观念，树立主要考虑地面电位梯度分布所带来的危害这一新 概念。实际上，整个接地网的接地电阻与人体或设备不同部位可能遭到的最高电压之间 不存在简单的关系，它们主要与接地网结构尺寸、土壤特性和流经接地网的电流相关。在 土壤电阻率较低且接地网面积很大的情况下，虽然接地电阻可能达到较低的数值，但是若 接地装置设计不合理，在发生接地故障时，地面上仍可能出现很高的电位梯度，会给运行 人员带来危险。

在高土壤电阻率地区且地网面积受到限制的情况下，要使接地电阻满足规程要求是十 分困难的，即使通过大量的投入接地电阻满足了要求，也不能完全无危险，甚至处于技术 经济均不合理的境地。但是，只要合理设计，在不过分注重低接地电阻的情况下，仍然能 够设计出满足安全要求的地网。应当说，将发变电站内外的接触电位差、跨步电位差和转 移电位差限制在安全值以内，仍是确保人身和设备安全的根本所在。

要考虑地面电位梯度带来的危险就不可避免地需要计算地表面的电位分布。但在过去 的接地设计计算中，采用仅适合于简单接地极布置的近似公式或经验公式来计算地面任意 一点的电位，是难以实现的，特别是对手复杂形状的地网，就更是如此。随着计算机技术 的发展，从 20 世纪 70 年代开始，国内外不少专家学者，将计算机的数值模拟方法引入到 接地计算中，为解决地面电位分布的计算问题，提供了有效方法。

3.2 发变电站地网设计的总原则

表征发变电站地网的主要电气参数有：接地电阻、接触电位差、跨步电位差、接地电 位升和转移电位差。在进行发变电站接地设计时，必须认真贯彻执行国家的有关方针和法 规，认真总结经验。根据电气设备的类型和系统的运行方式、接地的性质以及地质构造等 特点，因地制宜，力求做到技术先进合理，经济节约。进行接地设计时主要考虑以下问题

3.2.1 对接地电阻的要求

发变电站地网的接地电阻主要是根据工作接地的要求决定，即要保证在接地故障时， 流经地网的入地故障电流 I 在地网上产生的接地电位升不会对人身和设备安全造

成威胁。

1. 大接地短路电流系统

运行经验证明，大接地短路电流系统，包括 110kV 及以上有效接地系统和 63kV 低电阻接地系统，当接地电位升IR 2000V 时，人身和设备是安全的，所以我国现行接地 规程规，对于有效接地和低电阻接地系统中地网的接地电阻 R 由下式确定，即

式中：I 为经地网向地中流散的入地故障电流，该值应采用考虑系统 5~10 年发展规划 的最大运行方式下，短路发生在站内或站外时的最大单相短路周期分量，并根据实际接线 中的分流系数来确定，取最大值。

当地网的接地电阻不满足(2-1)式的要求时，可通过技术经济比较增大接地电阻，但不得大于 5?，且应当采取措施防止转移电位；考虑短路电流非周期分量的影响，接地电位 升不应引起所内 3~10kV 阀式避雷器动作；并须验算接触和跨步电位差。

2. 小接地短路电流系统

对于小接地短路电流系统，包括 366kV 不接地、经消弧线圈接地和高电阻接地系统来说，由于单相接地故障允许存在 2h，所以接地电位升 IR 的允许值大为降低，对于高压 与发变电站电力生产低压电气装置共用的接地装置，应满足

但不应大于 4?。

高压电气装置的接地装置，应满足

即使入地故障电流较小，R 也不宜超过 10?。

3. 高土壤电阻率地区

在高土壤电阻率地区，要把接地装置的接地电阻做到上述要求的值，在技术上难以实 现或经济上极不合理，允许将接地电阻值适当提高。在大接地短路电流系统中允许提高到 R 5 ；而在小接地短路电流系统中允许提高到R 30 。但是，在这种情况下，应采 取均压、隔离等措施，将接触电位差、跨步电位差限制在保证人身和设备安全所允许的范 围内，并抑制转移电位差所带来的危害。 3.2.2 接触电位差和跨步电位差允许值

如第 l 章中所介绍的那样，人体能承受的接触电压和跨步电压与人体电阻、通过人体 的电流值及持续时间、电流流经人体的途径、地表电阻率等因素有关。

根据中华人民共和国电力行业标准 DL/T621-1997，在大接地短路电流系统发生单相 接地或同点两相接地时，发电厂，变电所电气设备接地的接触电压和跨步电压不应超过下列数值：

式中： f 为人脚所站地表面的土壤电阻率，??m；t 为接地短路持续时间，s。 而在小接地短路电流系统中，由于单相接地故障允许的持续时间在 2h 以内，因此， 接触电位差和跨步电位差的允许值为

不难看出，提高接触电位差和跨步电位差允许值最有效的办法就是增大地表的土壤电阻率，如采用碎石或沥青混凝土地面等办法。

3.3 地网的设计步骤和方法

发变电站地网的接地参数(地网竣工后的实测值)是否符合接地规程的要求，技术经济 指标是否合理，取决于地网设计方法的正确性。只要按正确的步骤和方法来设计地网，是 能够获得接地参数满足规程要求、技术经济指标合理的地网的。这一节中，将讨论地网设计的步骤和方法。

3.3.1 调查土壤特性

土壤电阻率是决定地网参数的重要参数。根据土坡类型及土壤中所含水分的性质和含 水量的多少，土壤电阻率的变化范围很大，由于实际的大地结构比较复杂，同一土壤在不 同地点用利电阻率会有所不同，所以土壤电阻率的确定必须进行实测。在发变电站站址选 定后，物探法进行地质结构调查时，要收集站区内土壤在水平方向和垂直方向的变化情况， 同时，利用电探法测出站区(包括站区周围)的土壤电阻率的分布情况，并重视站区土壤电阻率随季节的变化情况，然后，经过对实测数据的分析处理，以便获得设计时所需要的土 壤电阻率。除此以外，还应该调查站区土壤对普通钢、镀锌钢等金属材料的腐蚀情况，测 出对金属材料的腐蚀速度，为地网设计选择正确的金属材料和截面提供依据。有关土壤电 阻率的实测方法和实测数据分析处理将在第 5 章中详细介绍。 3.3.2 入地故障电流的计算

入地故障电流是指系统发生接地短路时经地网向地中流散并引起地网电位升高的那 部分电流。在输电线路有避雷线和系统中性点直接接地的情况下，当系统发生接地短路时， 短路点的全部短路电流中，一部分电流由与地网连接的避雷线为回路流通，另一部分电流 经地网流回系统的中性点，而剩下的那部分电流才经地网向地中流散，因此，入地故障电 流并不等于故障点的全部短路电流。入地故障电流经地网流散时，它不仅影响着接地电位 升、接触电位差、跨步电位差以及转移电位差、局部电位差的大小，而且还影响着接地引 线、均压导体截面的选择，因此，在接地设计中，无论是从安全的角度考虑，还是从经济的角度考虑都要求准确地计算入地故障电流。

短路故障发生在站内

在故障点的全部短路电流Imax 中，由发变电站提供的那部分电流In 可以经地 网直接流回电源的中性点，不会在地网的接地电阻上形成压降，而由于避雷线的存在，由系统提供的短路电流Is( Imax In )中的一部分会经“避雷线—杆塔”接地系统返回系 统，也不会在地网的接地电阻上形成压降。

若避雷线分流系数为Ke1 ，则经避雷线分走的电流IB 1 为：

2、断路故障发生在站外

图 3.2 为短路发生在接地网外的情况。经大地自地网返回的短路电流将由电站本 身提供。同样，由于避雷线的存在，In 分量中将有一部分经避雷线直接返回电源中性点， 则经地网返回的电流：

但是由于短路电流的流通路径及其电流的分布受到短路故障的类型和位置、系统的

结 构与参数、变电站和杆塔接地电阻、相线和架空地线参数、系统将来(5~10 年)的发展等因素的影响。因此，要精确地计算Kf 1 与Kf 2 是十分困难的。在接地设计计算时，先分别计算 Ke1 、Ke2 ，然后取较大者作为计算用入地短路电流。

3.3.3 地网导体材料及截面的选择

在接地工程中，地网材料及截面的选择合理与否，直接影响到地网的经济技术指标。 特别是在系统容量和电压等级不断提高、入地故障电流和地网尺寸越来越大的情况下，合 理地选择导体材料和截面显得更加重要。下面分别讨论选择导体材料和截面时应考虑的因 素及选择原则。

1、导体材料的选择

选择导体材料时应当考虑导体的热稳定性、在土壤中的腐蚀速度、导电性、材料价格 及来源等。目前世界上普遍采用的接地材料是铜和钢两种，国外大多采用铜做接地材料， 而根据国情，我国绝大多数接地材料选用的是钢。下面简要分析和讨论这两种材料的性能。

(1) 热稳定性

在大接地短路电流系统中，入地故障电流一般在几千安到几十千安的范围内，这样强 大的电流经地网向地中流散时，将在导体中产生很高的热量，入地故障电流持续时间取决 于系统主保护动作时间和断路器的分闸时间，一般只有零点几秒，在这样短的时间内导体 产生的热量来不及向周围土壤中扩散，几乎全部热量都用来使导体温度升高。当温度超过 一定值以及经土壤自然冷却后，导体的机械强度会剧烈下降，特别是在导体之间的连接处， 如果再遇短路电流电动力作用，导体就会遭到破坏。当短路电流很大，导体温度升到很高， 达到金属材料的熔点时，导体将会熔化。这两种原因都可能使接地引线和地网导体断裂解 体，地网失去作用，而使系统故障扩大，造成巨大的经济损失。每一种导体材料都具有一 短时最高允许温度，如果导体温度超过它，就意味着其性能下降。同样每种导体材料都有 它自己的熔点。允许最高温度及熔点越高，其热稳定性能越好。铜的短时最高允许温度为 300℃，熔点为 1 083℃；钢的短时最高允许温度为 400℃，熔点为 1 550℃。因此，钢的 热稳定性比铜要好些。

(2) 土壤对金属导体的腐蚀性

埋在土壤中的金属将受到土壤的腐蚀。它属于电化学腐蚀的范畴。土壤中的水溶解有 盐和其他电解质而形成电解质溶液，但土壤的腐蚀性比电解质溶液的腐蚀性更为复杂、严 重。由于土壤的腐蚀作用，随着时间的推移，导体直径将不断减小，会造成地网导体的热 稳定性和导电性下降，严重时可能造成导体断裂使地网解体而引发事故，因此，在选择导 体材料时应考虑选用耐腐蚀的材料。

土壤对导体的腐蚀程度可以用腐蚀速度来表示。导体的平均腐蚀速度可以用导体单位 时间内单位面积上所失去的重量来表示，如 g/cm2·a；也可以用单位时间内金属表面的腐 蚀深度来表示，如 mm/a。通常用腐蚀深度来表示更为确切。据有关资料表明，未镀锌钢 在土壤中腐蚀速度约为铜的 4~5 倍，而镀锌钢在土壤中的腐蚀速度仅为铜的 1~2 倍，可见 铜的耐腐蚀性最强，镀锌钢比不镀锌钢强。但应当注意，金属在土壤中的腐蚀要受到许多 因素的影响(诸如土壤的孔隙度、土壤电阻率、水分中溶解的盐类、酸碱性和细菌等)，因 此在不同的土壤环境中，金属导体的腐蚀情况有很大的差别，建议在进行土壤电阻率测量 的同时，还应当测量站区内土壤对铜或钢的腐蚀速度，为导体材料和截面的选择提供可靠 的数据。通常采用的测量土壤对金属导体的腐蚀速度的方法有失重法和电化学法。

(3) 导体的导电性 在大型地网中，当强大的入地故障电流经地网流散时，因导体电阻的存在，会造成地网导体上各部分的电位不相等。地网尺寸越大，土壤电阻率越低，导体导电性越差，各部 分的电位差也越大，例如，面积为 50×50cm2，均压导体间距为 12.5cm 的等间距布置的正 方形地网，在电阻率为 30?·m 的自来水中，当自地网的一角注人电流时，其对角的电位 降低值为：5.3%(钢为接地材料)、4.3%(铜为接地材料)。在其他条件不变的情况下，水的 电阻率降为 1.8?·m 时，钢为接地材料的地网电位降低值增加到 35.6%。如果以地网各金 属导体电位相差 10%计算，取电流入地点电位(即地网电位升)为 4000V，则与地网不同点 相连的各设备外壳之间可能出现的最大电位差将达 400V，设计中必须考虑对这种局部电 位差的控制，否则将会引发事故。

(4) 材料的成本和来源

铜的价格约为钢的几倍到十几倍，且铜的矿藏量比铁少得多，当然选用钢比铜好。铜 和钢地网各有优缺点，钢的热稳定比铜更好，且经济。铜的导电性和耐腐蚀性比钢强，镀锌钢的耐腐蚀性又比不镀锌钢好，若采用一些防腐措施(如阴极保护)还能进一步提高耐腐 蚀性。此外，一般电气设备的外壳都是钢铁的，地网附近还可能有其他金属管道，若地网 导体选用铜，将会和与之相近的(或相连的)其他金属材料构成原电池，反而加速了对钢铁 构件的腐蚀。而采用镀锌钢就不会或很少出现这种情况，因此根据我国国情建议选择镀锌 钢作为接地材料是比较适宜的。

2、导体截面的选择

导休截面的选择一般可根据热稳定性要求来确定导体的最小截面，然后再根据对地网 运行寿命的要求以及实测得到的土镶对地网导体的腐蚀速度计算得到导体截面积，然后将 两者进行比较，取大者，再考虑一定的裕度，最后确定应该选择的导体截面积。考

虑裕度 的理由是，因为导体在土壤中的腐蚀并不是均匀腐蚀。一般来说，导体截面越大越不均匀， 但是在相同的土壤环境中表征散流特性的接地电阻主要取决于地网的面积，导体半径对它 影响很小，可以不考虑议一条件。

(1) 由热稳定性确定导体截面

假定导体短时发出的热量全部用来使导体温度升高，为了使导体满足热稳定要求，即 导体温度不超过其允许温度，则

由于电流大，导体温升快，所以导体电阻 R 和比热容 c 都是随温度变化的函数，即

ρ0

、C0 分别是 0℃时导体的电阻率(?·cm)和比热容(w·s/g·℃)，L 为导体长度

(cm)，S为导体截面积(cm2)，、分别为导体的电阻温度系数和比热容温度系数，为导体温度(℃)。地网导体一般为均匀导体，其质量为导体质量密度(g/cm3)。将式(3-10)和式(3-11)带入式(3-9)，经化简整理得

很方便地算出满足热稳定要求的导体最小截面积。对于一定的材料，k 为定值，如钢导体 k=70，铜导体 k=210，铝导体 k=120。

(2) 由土壤对导体的腐蚀速度来确定截面

根据实测得到的土壤对导体的年腐蚀速度(mm/a)以及预期的地网运行寿命，就能很容易地得出导体的最小截面，然后考虑一定的裕度系数就能得到按腐蚀速度确定的导体截面积。

3.3.4 选择地网的布置方式

发电厂、变电站接地装置大多数都是以水平接地极为主，外缘闭合，内部敷设若干均 压导体的接地网。在过去的设计中，均压导体一般按 3m、5m、7m、10m 等间距布置。由于端部效应和邻近效应，各均压导体流散电流很不均匀，地网中部导体流散的电流较小， 而在边角处导体的流散电流急剧增加，这就使地网内部的地表面电位分布很不均匀，造成 地网边角处的接触电位差和中心处的接触电位差相差根大，且这种不均匀随地网面积的增 大和网孔数的增多而越来越严重。为了保证发电厂、变电站人身和没备安全，又不过多地 耗费铜材，设计是以比边角网孔低 20%~30%的次边角网孔电势不超过允许接触电位差为 原则。但这样做并没有根除因地面电位分布不均匀而引起事故的危险，还需要在地网边角 处采取辅助安全措施，面中部导体得不到合理利用。这样，大型地网均压导体如果仍按传 统的等间距布置，在技术经济上都是不够合理的。为了改变这种情况，最好的方法是采用 不等间距布置均压导体，有关用不等间距布置均压导体的合理性及其布里的规律请参看其他文献。

经分析研究表明，在大中型地网周边埋设 2~3m 或远小于地网等值半径的垂直接地体 对降低整个接地装置的接地电阻的效果不大。所以，除在避雷针(线)和避雷器附近埋设集 中的垂直接地体以流散雷电流以外，在地网的周边一般不敷设垂直接地体。但是，如果在 埋设地网的地方土壤上层的电阻率远比下层的电阻率高，或者地网处于容易干燥或冰冻的 土壤地区的情况下，可以在地网周边埋设若干垂直接地体，并与水平接地网相连。这样既 可以进一步减小接地电阻，也可以维持地网的性能，使之不随气候的变化而发生显著变化。 垂直接地体的长度在 10~50m 的范围内，它们之间的距离以大于相邻两

垂直接地体的总长度为宜，此外，还应重视各种自然接地体(如水电厂的钢筋混凝土基等)的利用。

接地网导体的总长，可按下式估算：

在式中，第二项括号内的因子相乘次数比包括交叉连接线在内的主接线地网内平行导体的根数少 2；Ki 为不均匀修正系数没考虑接地网不同部分接地电流的不均匀性，尼曼建议Ki 值为 1.2~1.3，对土壤电阻率不均匀的情况，Ki 可取得更大一些；ρ为人体双脚下的土壤电阻率(?·m)；t 为点击最大持续时间(s)。

知道接地网导体总长，地网的长和宽以及选择好导体间的间距就容易对地网进行布 置。

第4章 降低接地电阻的方法

4.1 扩大地网面积

众所周知，接地装置的接地电阻主要由接地体的几何尺寸和土壤电阻率确定，要在大 范围内靠降低土壤电阻率的方法来降低接地电阻，无论在技术上还是在经济上都是不合理的，所以增大接地体的尺寸是行之有效的方法。

众所周知，接地装置的接地电阻主要由接地体的几何尺寸和土壤电阻率确定，要在大 范围内靠降低土壤电阻率的方法来降低接地电阻，无论在技术上还是在经济上都是不合理的，所以增大接地体的尺寸是行之有效的方法。

根据静电场基本理论，可以直接推导出接地体接地电阻的计算公式(2-9)，即

我们可以看出，接地电阻的大小与接地体对无穷远处的电容成反比，增大接地体的面积，可以增大接地体的电容，降低接地电阻。

我们在前面讲述中，得接地网接地电阻的公式

式中 L 为接地极的总长度(包括水平与垂直的)，m；A 为接地网的面积，m2。 从上式可以看出，发变电站接地网的接地电阻与接地网面积的平方根成反比，接地网 面积越大，其接地电阻也就越低。无疑增大发变电站接地网的面积是降低其接地电阻的一种行之有交的方法。

但是，仅用增大地网面积来降低接地电阻，对一些简单接地体和输电线路杆塔接地装 置效果较好，对于发电厂、变电站的接地网，虽然增大地网尺寸能够使接地电阻值减小， 但在高土壤电阻率地区或者发电厂、变电站场地非常昂贵的地区，会增加变电站建设的不少投资，甚至受场地的限制根本无法实现，因此，在使用这种方法时，必须进行技术经济比较。

4.2 增加接地网的埋设深度

接地体的埋设深度对于水平接地体(包括地网)是指接地体到地表面的距离，而对于垂 直接地体来说是指垂直接地上端到地表面的距离。从本质上讲，增加接地体的埋深，使接 地体离地面的距离增加，从面增大了接地体在土壤中的散流面积、起到减小接地电阻的作用。对于发变电站接地网一般都是矩形或方形布置。

如果地下较深处的土壤或水的电阻率较低时，可采用深埋接地极的方法来降低接地电 阻。对含砂土壤采用此法效果尤为明显。据有关资料记载，在3m深处的土壤电阻率为100%，4m深处为75%，5m深处为60%，6.5m深处为50%，9m深处为20%。

这种方法的特点是，可以不用考虑土壤冻结和干枯所增加的电阻率，但施工困难，要挖的土方量大，造价也相对较高，在岩石地区更难实现。

4.3 用自然体接地

自然接地体包括建筑物钢筋混凝土基础的钢骨架、水电站进水口拦污栅、闸门、引水管等。对于这样一些自然接地体，由于它们本身具有较低的接地电阻，因此在设计发变电 站地网时，应充分地考虑利用这些自然接地体与主网相连，以达到降低地网接地电阻的目的，特别是在水电站，利用自然接地体，其降阻效果就更为明显，并且不需要增加多少投资。所以，充分地利用自然接地体来降低接地电阻，不仅在技术上容易实现，而且有较好的技术经济效益。

4.4 引外接地

引外接地是指将发变电站主接地网与其区域以外某一低土壤电阻率区域敷设的辅助 接地网相连的方法，以达到降低整个接地系统接地电阻的目的。应当注意，在变电站和远 处接地设备之间存在显著的电位差，特别是在雷电等高频冲击作用时电位差将更大。应确保主接地网与引外接地有多根接地导体连接。

如果接地装置附近有导电良好的湖泊时，可考虑用此法。但要注意在设计、施工时， 必须考虑到连接接地极干线(铜或钢)自身电阻所带来的影响，因此，引外式接地极长度不宜超过 100m。

4.5 使用接地降阻剂

在高土壤电阻率地区，如沙漠、山区、岩石层等，即使采用以上介绍的各种方法，有时也很难将接地装置的接地电阻降到所要求的值。在这种情况下叮以通过使用接地降阻剂，并适当配合上面的方法，便可达到降阻的目的。

在接地体周围的土壤中加入离子生成物，即化学降阻剂，以改善土壤的导电性能，从而降低接地装置的接地电阻。最早的方法是在接地体周围埋入木炭、食盐、硫铵等电

解质或者用丙烯酸按、硅酸盐、石墨和水的混合物作为接地降阻剂灌入土壤中以提高土壤的导 电性能。但是这些降阻剂的有效成分大都是溶于水的，容易因雨水或地下水的冲刷而流失， 因此，有效期较短，一般仅能维持两年左右，并且有些物质对接地体有腐蚀作用，会缩短 接地装置的寿命。从 20 世纪 60 年代中期开始，日本研制并使用一些新型接地降阻剂，这类降阻剂主要是由电解质(如食盐、氯化按、硫铵等)与水溶性常温硬化树脂(如尿醛树脂、 酚醛树脂等)混合组成。将这种混合液注入电极周围的土壤中。经过一定时间，就形成具有导电性能的含水硬化树脂，提高土壤的导电性，并能经受雨水或地下水的冲刷，因此称为长效降阻剂。

我国为解决高土壤电阻率地区的降阻间题，也从 20 世纪犯年代开始研究化学降阻剂， 取得了一定的成效，目前已有很多厂家生产出了性能良好的化学长效降阻剂。

第5章 接地参数测试

在电力工程中，选定了变电所或发电厂的厂址后，为了正确合理的设计接地装置，需 要知道发变电站所在地的土壤电阻率，土壤电阻率只有通过现场测试获得。根据测定的土 壤电阻率设计地网，在施工完成投入运行之前，要测量接地电阻、接触电压和跨步电压是 否在规定范围内，或者在设计值范围内，在满足要求后才能投入运行。地网运行一段时间 后，还要测试它是否满足安全要求。因此，接地参数的测试是变电所、发电厂地网设计、 运行必不可少的工作。下面分别介绍土壤电阻率、接地电阻、土壤表面电位分布的测试原 理和方法。

5.1 土壤电阻率测试

图 5.1 Winner 四电极法原理图

现场测量电阻率的方法是以稳定电流场理论为基础的。前面已讲到物质的电阻率是指 单位立方体该物质两相对面之间的电阻。由于土壤结构的复杂性以及含水量不同等原因，土壤电阻率可以在很大范围内变化，不可能用取样的方法获得大地电阻率。通常采用的方法有三电极法和四电极法。四电极法比三电极法更准确些，现在一般采用四电极法，四电极法又叫 Winner 法。下面介绍由四电极法确定电阻率的基本原理。

如图 4.1 所示，将C1 、C2 、P1 、P2 四根电极在一条直线上按等间距 a 打入地下，为了使打入的电极不影响地中电流分布，电极打入地下的深度 h 应满足 h a/20。

外侧两电极C1 、C2 为电流极，与交流或直流电源 e 串联，用电流表 A 测量入地电流，内侧两电极P1 、P2 为电压极，与电压表 V 相连，由于C1 、C2 流入和流出的电流均为 I，根

据前面讲的电源电极附近电位的计算方法，可计算出P1 和P2 点的电位为：

则P1 和P2 两电极之间的电位差，即电压表的读数为：

5.2 接地电阻测试

根据前面介绍的接地电阻的定义，接地电阻是接地短路电流经接地装置向无穷远处自由流散时，接地装置的电位V0 (以无限远处为参考)与经接地装置流入地中的电流 I 的比值。

如图 4.2，电流极与接地网边缘之间的距离为d13 ，一般取接地网最大对角线长度 D 的 4~5倍，以使其间的点位分布出现一平缓区域。但在接地电阻测量时，不可能将电流辅助电极 C 和电压辅助电极 P 放在无穷远处。而且，电流不是向四周的土壤自由流散，而是受辅助电流极 C 位置的影响，这时地下电场的分布将会发生畸变，给测量带来误差。但在进行接地电阻测量时，无论辅助电流极 C 放在何处，都应测到接地装置的实际接地电阻值。下面从理论上分析把电压极布置在什么样的位置上才能消除测量误差，从而得到真实的接地电阻。

要使测量结果符合实际值，即测量误差必须是 0，即 R =0。要使 R =0，有两种可能，

一种情况是d12 、d13 、d23 都足够大，则它们的倒数为零，但这种方法测量引线太长，实测 不方便，一般不采取。

另一种情况，令 R =0，即有：

5.3 影响接地参数测试的因素

1．地电阻率不均匀时

前面的理论分析是在 均匀情况下进行的，若土壤电阻率 不均匀时，将给接地电阻的测量带来误差。在土壤具有一个或两个剖面结构时，采用 0.618 法的测量误差随剖面两侧电阻率变化而变化，变化越大测量误差越大。特别在被测接地网和电压极之间，或电压极与电流极之间，如果存在一条有高电阻率地层(如冲沟，下涸河床等)，采用

0.618 法误差极大，测量时应当注意。

2．大地集肤效应的影响

交流电流通过接地网向大地流散时，由于地的电阻率相当大，在接地网附近因感应电 势而引起的电压降远小于电阻电压降，因面对接地网附近直流和交流的作用可以认为近似相同。但是当使用导线—大地回路来测量接地电阻时，由于交流电流在接地网和电流极间的广大区域内流动，就要在这区域内产生相当强的磁场，具有集肤效应，使电流通过区域截面变小，电阻增大。

3．极化效应的影响

当直流或交流在地网和辅助电流极 C 之间流动时，由于激发极化效应，在断开电源后， 地面上两点间的电位并不立即降到零，而从某一数值开始近似于指数衰减，一般要经过几秒或几分钟后才降到零，如果采用注入大电流的电压电流法测量接地电阻后，如果立即又用摇表去测量，有可能会产生异常现象。

4．地中的自然电场和人工电场

自然电场有：化学电场、扩散电场、大地电流场及雷暴电场等，使大地带有一定电位。 如果这电位与接地体电位之比较大就要考虑误差。

地中人工电场有：变压器中性点的零序电流、中性点不接地系统中的不平衡电电流、 直流装置的泄漏电流等产生的人工电场将在地网和电压极之间产生电位差，给测量带来误差。

5．地下金属管道

在测量电极的下面遇有金属管道使得电极与接地体之间的距离减小，因而减小接地电阻。

6．电压极与电流极引线间的互感

由于电压极和电流极引线往往是平行的(比如用架空线)，因此当电流经电流极引线流动时，在电压极引线中会产生互感电势，使电压表测量电压增加，因而测得的接地电阻增大。

5.4 接触电压和跨步电压测试

为了验证发电厂、变电所内接触电压和跨步电压是否满足人身和设备安全的规程要 求，需要对跨步电压和接触电压进行实际测量。当电流 I 通过接地网和电流辅助电极在地中流散时，将电压表 V 一端接电流入地点，另一端与放在被测电位点 1 的铜板相连接，电压表 V 的读数Vj ，V 0 。V1 为被测点 l 的接触电压。铜板面积为 26 26cm2。式中V0 为地网电位，V1 为被测点的电位。这样可以很方便地测量所或站内地面上任意一点的接触电压。

在进行跨步电压和测量时，可以在所内任何方向选择若干点，使得这些点之间的距离 为规程规定的跨步距离，比如我国规定值为0.8m。如方向①上的 A、B 两点，先测出

A、B 两点的接触电压，Vja 、Vjb 。则有：

通过(5-24)式就可算出方向①上的跨步电压分布。

因为在测量时，不可能加入实际系统的入地短路电流几 kA 或几十 kA。一般只能加入 几十到几百安，测得的接触电压和跨步电压应按比例尺放大。即：U 实 KU 测 ，式中K

=I 实 / I测 。

注意事项:

1、路避雷线与接地网应断开，避免架空地线分流；

2、电压、电流极应布置在与线路或地下金属管道垂直的方向上； 3、避免电流和电压引线平行接近；

4、电流和电压极引线与接地网的连接点宜选在高压配电装置的接地处；

5、在测量电压极铜板与地面接触不好的地方，可用重物将铜板压紧，或用水将地面 浇湿。应尽量避免在雨后立即进行实测。

6、在实测时，应随时监视地网电位升高，以防止由于地网电位升高，对一、二次测 试设备及人身安全造成危险。

5.5 冲击接地参数测试

在雷电冲击作用下接地体的冲击阻抗与冲击电流的幅值和波形有关，由于火花效应和 电感效应，冲击接地阻抗是非线性的。为了较准确地测试冲击阻抗，需要高参数的冲击电 流发生器。一般要 1~l00kA 的冲击电流发生器。

根据地网冲击相应电流i(t )和电压u(t )的测量波形，取其幅值之比为冲击接地电阻：

如果测量变电所或发电厂地面冲击电位分布，可将分压器与电流入地点的连接点解

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