大型变电站接地网的网内电位差

大型变电站接地网的网内电位差

王云龙董玉玺

（广东电网有限责任公司惠州供电局516001）

摘要：在大型变电站中，由于接地导体自身的电阻和电感的作用，使得接地导体上各点的电位不相等。变电站内许多仪器的接地端或电缆外皮都接在接地网上，接地网的网内电位差可能产生严重的电磁兼容问题。采用接地网接地参数数值分析软件，计算了接地网的内部电位差，提出了减小网内电位差的措施。

关键词：变电站；接地网；网内电位差

1引言

在大型变电站中有大量的信号电缆和低压供电电缆，并且电缆两端就近与接地网相连。这种做法实际上是以接地网等电位为依据的。然而对于大型接地网，当电力系统发生短路故障时，接地网上的电位分布是不均匀的，接地网与两端接于其上的电缆屏蔽层构成回路，故障时将有电流从电缆屏蔽层流过。如果网内电位差较大，则可能因较大的电流烧毁电缆屏蔽层。另外，变电站内许多仪器的接地端都接在接地网上，接地网上不同点之间的电位差可能在不同仪器间形成电流，造成干扰。所以，有必要研究接地网的网内电位差问题。

接地技术对电力系统的安全稳定运行有着重要的影响，近年来，国内外由于接地不良引起的人身伤害及设备损坏事故很多，其中，事故扩大进而导致系统停运的例子也不少。发电机单机容量的扩大、超高压输电及高压直流输电的推行使得系统电压水平提高、接地电流不断增大，这些都对地网的安全、可靠、经济、有效等方面提出了更高的要求。接触电压和跨步电压直接关系到站内人员和设备的安全，因此如何降低接地网电阻从而降低接触电压和跨步电压一直是研究和设计人员关注的焦点。然而，接地网安全的判据在于控制地电位和控制网格电压两个方面，后者是基于地电位梯度考虑的。美国电站安全接地导则甚至认为地网的网格电压是影响系统安全运行的主要因素。因此，对接地网来说，除了要降低接地电阻以利于大电流快速地流入地下，还要让地表电位尽可能均匀，以避免出现较大的电位梯度，即保证网格电位的均匀性。国内地网用钢而非铜，钢的磁导率和电阻率均比铜的高，因此国内接地网电位不均衡问题较国外更为突出。本文在对接地网的电位均衡性做详尽分析的基础上，提出改进接地网均衡性的措施。同时指出，接地网的腐蚀会导致接地网金属材料锈蚀损坏甚至断裂，造成接地电阻的升高和地网电位均衡性的破坏，影响其对系统的保护作用和使用寿命，对老旧地网的后续改造又会造成人力财力的浪费，因此，接地网的防腐对维持接地网电位均衡性从而保证接地网的安全稳定运行有着非常重要的意义。

2地表电位均匀的重要性

接地网不仅要求接地电阻足够小，以保证泄流电流快速地导入大地，还要求在地表形成均匀的电位，以保证跨步电压Ek和接触电压Ej满足要求。当接地电阻难以满足要求时，在地表形成均匀的电位就显得更为重要了。实际工程中，接地电阻与地表最大电位差也并不完全对应。在土壤电阻率较低，地网面积很大的情况下，虽然接地电阻值可以达到要求，但如果接地网设计不合理，发生大电流入地故障时，地表就可能出现较大的电位梯度，从而产生很大的接触电压，危及运行人员和设备的安全；在土壤电阻率很高的情况下，要使接地电阻达到。

3接地网的网内电位差

早在上世纪80年代初期，国内开始兴建500kV变电站时，接地网不等电位问题已得到工程技术人员的高度重视。如湖北500kV双河变电站曾在系统调试中进行单相短路接地试验。试验结果为：当2400A短路电流由地网中心入地时，地网中心对2km外零位点的电位升高为254V，对地网边缘的电位升高即网内电位差为117V；当2866.7A的短路电流由地网中心入地时，地网中心对2km外零位点的电位升高为307V，对地网边缘的电位升高为140V。根据1982年中南电力设计院5500kV双河变电所工程接地设计总结6，双河变电站土壤电阻率608#m，面积104283m2，接地带长度12075m，地网为正方形，水平接地带用40mm×5mm扁钢，埋深0.6m。为计算方便将接地网简化为：324m×324m，18m×18m网孔，导体半径0.008m。导体电阻率和相对磁导率取文献中所用数值，即导体电阻率1.7×10-78#m，相对磁导率636，入地电流频率为50Hz。本文采用计算软件所得计算结果为：短路电流2400A时，网内电位差为122V；短路电流2866.7A时，网内电位差为146V。所以验证用软件计算的网内电位差与现场实测值相近似。

4影响接地网网内电位差的几个因素

4.1地网大小、导体半径和短路电流入地点的影响如表1所示，在1008m的均匀土壤中，接地网孔为10m×10m，导体电阻率1.7×10-78m，相对磁导率636，地网埋深0.6m，50Hz故障电流由地网中心入地和地网边角入地时，钢材接地网的网内电位差。表1中$V为1kA入地电流下接地网导体上的电位最高点（故障电流入地点）和接地网导体上的电位最低点（离故障电流入地点最远处）之间的电位差，DV为网内电位差占地网上接地点对无穷远处总电位升高的百分数。在入地电流I时，若短路电流入地点的接地阻抗为Z，则DV=$V/（IZ）×100。由表1可见，随着地网面积加大，地网不等电位问题严重，且短路电流由地网边角入地时，地网不等电位问题比短路电流由地网中心入地时严重得多，而加大导体半径是减小网内电位差的有效措施。

表1m的均匀土壤中接地网的网内电位差

4.2土壤电阻率和均压导体根数的影响

如表2所示，土壤电阻率为25m的均匀土壤中，不同地网大小和不同网孔大小下，接地网的网内电位差。接地导体半径为0.01m，导体电阻率为1.7×10-78m，相对磁导率636，地网埋深0.6m，入地电流1kA，频率为50Hz。表2中的计算结果同表1中的计算结果相比，可见土壤电阻率降低时，接地网的网内电位差占地网上接地点对无穷远处总电位升高的百分数加大，但由于地网电位升高大为减小，网内电位差变化不大。增加导体均压导体根数时，可显著降低网内电位差。

表2的均匀土壤中接地网的网内电位差

4.3等面积和等钢材用量下网内电位差的优化设计

由上述分析可见，加大导体半径和增加导体均压带根数均可有效地降低接地网的网内电位差。下面以面积为200m×200m的接地网为例，在钢材用量相同的情况下，以降低接地网的网内电位差为目的，忽略接地导体埋设过程中的人工费用，探讨导体的优化布置。如表3所示，在50m的均匀土壤中，3种不同布置方式下接地网的网内电位差。计算参数为导体电阻率1.7×10-78m，相对磁导率636，地网埋深0.6m，入地电流1kA，频率为50Hz。由表3可见，在等钢材用量的条件下，均压导体根数越多，网内电位差越低。

在接地网设计中要充分考虑均压带的敷设间隔尺寸，以及减小埋设接地网的土建工作量，建议均压带的平行间距不大于10m。以前设计的地网有采用长孔地网的，且地网均压网格稀疏，在大接地短路电流流过地网时，很容易造成地网局部地电位升高，对微机保护和综合自动化系统造成地电位干扰，或者使地面产生危险的跨步电压和设备接触电压，对人身安全构成威胁。因此对发电厂、变电所地网，以方孔地网为宜，且网格间距不宜过大。

在接地网的设计上，如果土壤电阻率均匀，采用不等间距接地网，可以使导体散流均匀，接地网上方电位均匀分布；如果土壤电阻率不均匀，可以采取树枝状的接地网也可以采取外延接地。在土壤电阻率低的地方埋设树枝状地网，把电流引到电阻率低的部位，有利于电流的快速泄流和地表电位的均匀分布，外延接地就是这种思路。高土壤电阻率地质地区，当在发电厂、变电所周围2km以内土壤电阻率较低时可敷设外引接地极。这就要求在确定降阻方案时要对发电厂、变电所周围进行认真的勘探、测量得到土壤电阻率ρ沿水平方向上的分布并找出ρ值较低适合做外引接地的地方。这种方法是既满足降阻要求，又满足均压要求的简单有效的措施。

5结论

大型钢材接地网存在较大的网内电位差，其值随地网面积的加大、接地导体半径的减小和均压导体根数的减少而增加。短路电流入地点越偏离地网中心，网内电位差就越大。

参考文献：

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