一种变电站主接地网的均压方法

摘要

一种变电站接地网的均压方法，用于解决接地安全性问题。其特征是，它包括以下步骤：(1)测定拟建变电站土壤电阻率，进行接地网结构设计；(2)计算地电位升的分布情况，在地电位升分布最不均匀的接地网边角位置增加接地极；(3)确定接地极的参数，然后将接地极连接到接地网上后重新计算，直至接触电压和跨步电压达到设定值。本发明提供的接地网均压方法，在接地网的边角位置设置接地极，接地极的设置可以有效较低地电位的分布不均。进而有效降低接触电压、跨步电压，提高接地网的安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及接地网的均压方法技术领域，具体地说是一种变电站接地网的均压方法。

背景技术

良好的接地系统是保证变电站安全运行的必要条件。根据国内相关接地标准，变电站接地网的工频接地电阻宜满足其中I为流入接地网的入地电流。主地网接地电阻满足该式时，变电站的地电位升将不超过2kV，一般均能保证设备及人身安全。

随着经济社会的发展，电力系统规模日益扩大，变电站各级电压母线接地故障电流逐年增长。站内设备发生单相接地短路时，短路入地电流也越来越大。加之由于土地资源日趋紧缺，变电站选址困难，目前在建变电站中许多变电站站址土壤电阻率较高，而随着技术进步变电站面积较以前大大减小了，从而造成近年来很多变电站的接地电阻超出标准要求，需要采取额外的措施进行降阻。

目前变电站常用的降阻措施有以下几种：

(1)在土壤中填充化学降阻剂。该方法投入不高，效果明显，缺点是对敷设其中的接地体有一定腐蚀作用，影响接地体寿命；随着使用年限的增加，化学物质降解可能造成土壤污染，且降阻效果随运行时间逐渐降解失效。

(2)站区换土。该方法可局部改善土壤性质，起到一定降阻效果，但是大范围土壤性质仍无法改变，且造价高，实施复杂。

(3)采用等离子接地棒或接地模块。该方法在难以找到低电阻率土壤或不易开挖的地方，使用离子接地系统较换土经济，但是也存在土壤污染和降解失效的问题。

(4)扩大接地网面积。该方法对降低接地电阻效果很好，但是需要增加征地成本和接地网敷设成本，实施困难。

(5)外引接地。该方法通过将接地网引到站外，起到扩大接地体范围的作用，但费用较直接扩大接地网面积省，但是也需要额外的征地，且造成后期运行维护的复杂。

(6)增加长垂直接地极或接地深井。该方法在土壤分布为上层电阻率大、下层电阻率小时增加了分流，效果明显，但对于底层土壤电阻率大的地区效果不明显，且增加了投资。

(7)爆破接地。该方法通过对站区进行爆破，改变地质结构，减低站区土壤电阻率，但是可能对建构筑物的基础造成较大影响，且实施困难。

综上，以接地电阻为指标控制接地网的安全性评价时，为降低接地电阻将付出较大的成本，且降阻效果受多种因素影响，不易实现。

变电站的地电位的升高(接地电阻)不是直接影响接地安全性的直接因素，直接影响因素是地电位的分布不均，导致空间上电位梯度很大，临近的两点间有较大的电位差，该电位差加在人身或设备上，是对人身及设备造成安全威胁的根源。所以标准进一步规定，当无外引电位、校核变电站内的接触电位差和跨步电位差满足要求时，接地网地电位升高可提高到5kV，相当于增加了接地电阻的允许值。如满足这些要求仍有困难时，经专门计算，且采取的措施可确保人身和设备安全时，可适当提高接地网地电位升的数值。但应保证3～10kV金属氧化物避雷器安全——避雷器不应动作或动作后应承受被赋与的能量。

目前变电站已很少设置生活区，不存在外引电位的问题；接地网出现问题的变电站一般为110kV及以上变电站，低压侧电压等级一般高于10kV，且低压侧出线众多，因而金属氧化物避雷器安全一般均能得到保证；故是对于变电站的接地网安全性评估来说，能否提高接地电阻的允许值，关键在于找到一种经济、高效的办法解决接地电位的分布不均问题，从而降低接触电压、跨步电压，满足安全性要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变电站接地网的均压方法，用于解决接地安全性问题。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种变电站接地网的均压方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(1)测定拟建变电站土壤电阻率，进行接地网结构设计；

(2)计算地电位升的分布情况，在地电位升分布最不均匀的接地网位置增加接地极；

(3)确定接地极的参数，然后将接地极连接到接地网上后重新计算，直至接触电压和跨步电压达到设定值。

进一步地，所述接地极为螺旋状结构的金属件。

进一步地，设定接地极的螺旋高度为2～3m。

进一步地，设定接地极的螺旋层数为4层。

进一步地，设定接地极的顶角为40°～50°。

本发明的有益效果是：根据本发明提供的接地网均压方法，在接地网的边角位置设置接地极，接地极的设置可以有效较低地电位的分布不均。进而有效降低接触电压、跨步电压，提高接地网的安全性。

附图说明

图1为现有接地网的示意图；

图2为接地极的俯视示意图；

图3为接地极的正面示意图；

图4为在接地网上增加接地极后的入地电流分布图；

图5为接地极的参数示意图；

图6为接地极在接地网中的安装示意图；

图7为接地极的三维图；

图8为现有接地网中的接触电压分布图；

图9为现有接地网中的跨步电压分布图；

图10为设置均压接地极后的地电位升的变化情况；

图11为设置均压接地极后的接触电压的变化情况；

图12为设置均压接地极后的跨步电压的变化情况；

图中：1接地网，2接地极，β顶角，m层数，H高度。

具体实施方式

如图1所示，为典型变电站的接地网，接地网尺寸为60m×50m，埋深0.8m。由于变电站采用多根水平接地体形成网格状的均压带，因而接地网中间地电位分布虽有波动，但是波动不大；在接地网的边角处，由于此处是接地网与大地的交界地带，入地电流将通过接地网流入大地，在此处造成剧烈的地电位变化，如图8、图9所示，导致接触电压、跨步电压大大增大，影响接地网的安全性。

由于全部入地地电流均需要通过接地网的边缘流出，造成接地网边角处的电位分布极为不均，如何合理的增加接地网边角与土壤的接触面积，增加入地电流流进土壤的范围，将对接地网的均压产生至关重要的影响，为此，构想出一种均压接地极2。

如图2、图3、图7所示，接地极2由金属材料成，呈螺旋状，随深度的增加几何半径逐渐增大。该接地极布置于接地网1边角处，将有效降低地电位的分布不均，进而有效降低接触电压、跨步电压，提高接地网的安全性。

该接地极呈现上小、下大的螺旋形结构，影响该接地极的主要参数有三个，如图5所示，分别为：

(1)螺旋结构的高度H；

(2)螺旋的顶角β；

(3)螺旋的层数m。

下面通过仿真计算研究三个参数的选择对接地极均压效果的影响，并确定该接地极的设计原则。考虑到接触电压、跨步电压直接反映地电位分布均匀度，又是接地网安全性评估的重要指标，因而以接地极参数的变化对接触电压、跨步电压的影响作为分析的判据。

1、螺旋高度H对均压效果的影响

固定螺旋的顶角β＝45°，螺旋的层数m＝2，设置不同的螺旋高度，研究接地网的接触电压、跨步电压的变化如下所示：

螺旋高度H(m) 2 3 4 5 6 接触电压(V) 688.542 659.109 616.687 591.231 561.945 跨步电压(V) 396.452 374.265 349.346 326.073 306.848

由图表可见，随着螺旋结构的深度增加，接触电压和跨步电压均有所降低，基本成线性变化，接触电压平均降低31.6V/m，仅为初始接触电压跨步电压的4.6％，跨步电压平均降低22.4V/m，仅为初始接触电压跨步电压的5.7％。然而，随着深度增加，埋设接地极需要开掘的土方量需要翻倍，且开掘深度越大对施工要求越高，造成现场施工的复杂。

考虑到埋设深度增加对接地网均压效果不明显，且深度过大造成施工复杂，因而该接地极的高度不宜过深，H＝2-3m即可。

2、螺旋顶角β对均压效果的影响

固定螺旋结构的深度H＝2m，螺旋的层数m＝2，设置不同的螺旋顶角β，研究接地网的接触电压、跨步电压变化如下所示：

顶角角度(°) 20 30 40 50 60 接触电压(V) 826.39 777.459 720.163 651.559 560.396 跨步电压(V) 424.992 416.559 404.197 386.461 358.457

由图表可见，随着螺旋结构的顶角角度增加，接触电压及跨步电压均有明显减小，尤其是接触电压减小很快，顶角变化10度，接触电压约减低66.5V。

但是深度一定时，随着顶角的增加，施工时开挖土方量将急剧增加，考虑施工方便，顶角角度不宜过大。但是，顶角角度较小时，均匀效果不明显。

综合以上分析，接地极顶角不宜太小，否则均压效果不明显；接地极顶角又不宜过大，否则给施工带来加大困难。故接地极顶角应取β＝40°～50°之间，既能起到良好的均压效果，又不会带来复杂的施工问题。

3、螺旋的层数m对均压效果的影响

固定螺旋结构的深度H＝2m，顶角β＝45°，设置不同的螺旋层数，研究接地网的接触电压、跨步电压变化如下所示：

螺旋层数(m) 2 3 4 5 6 接触电压(V) 688.542 637.881 587.08 558.685 550.321 跨步电压(V) 396.452 379.364 370.44 362.891 359.11

由图表可知，随着螺旋层数的增加，接触电压及跨步电压均有所降低。但是该降低并不成线性关系，层数增加越多，接触电压及跨步电压降低的越缓慢。

考虑到应采用较少的接地材料取得较大的效果，故接地极的螺旋层数不宜过多，取4层左右即可较好的实现均压效果。

针对接地极的三个参数变化的分析可知，综合均压效果及施工便利性、材料节省性的要求，三个参数的确定应遵循以下基本原则：

(1)均压效果随螺旋结构的高度H增加而变好，但变化不大，故高度不宜过高，H＝2m左右即可。

(2)均压效果随螺旋结构的顶角β增大而明显变好，但考虑施工便利性，顶角宜在40°～50°左右。

(3)均压效果随螺旋结构的层数m增加而变好，但是不是线性变化，层数越多，均压效果变化越不明显，故层数应控制在4层左右即可。

接地极的具体应用方法如下：

(1)测定拟建变电站土壤电阻率，进行接地网结构设计，当计算出的接触电压、跨步电压不能满足要求时，增加接地极。

(2)计算地电位升的分布情况，在地电位升分布最不均匀的地方(接地网的边角处)增加该接地极。

(3)合理确定接地极的参数，将其连接到接地网后重新计算，直至满足规范要求的接触电压、跨步电压为止。

以变电站典型接地网为例(接地网尺寸为60×50m，埋深0.8m)，如图6所示，在接地网四个边角处设置均压接地极后，接地网的地电位升、接触电压、跨步电压对比分别如图10、图11和图12所示。

由图可知，增加均压接地极后，地网的地电位升有所降低，接触电压由增加接地极前的1013.6V降低为547.86V，减少45.9％；跨步电压由增加接地极前的385.98V降低为294.91V，减少23.6％。均压接地极的均压效果十分明显。在主接地网上增加均压接地极后，地电位大大改善，接触电压及跨步电压明显降低，显著提高了变电站主接地网的安全性。产生如上效果的主要原因为合理的均压接地极设计，如图4所示，具体原因如下：

(1)在接地网边角处增设该均压接地极，入地电流在接地网边缘处除了在水平方向上流入大地(I_s)，在垂直方向上还增加了一个螺旋向下的分量(I_c)，对水平流出接地网的电流起到分流作用，从而降低水平电流，减小该电流引起的电位分布不均。

(2)均压接地极设计为螺旋形，使得入地电流的垂直分量(I_c)沿着螺旋形的路径逐渐深入大地，在深入过程中与不同深度的土壤充分接触，尽可能多的通过相应深度的土壤散流，相当于将多层土壤并联起来，降低接地电阻，减少地电位分布不均。

(3)均压接地极上小下大，可尽量减少接地极与主接地网的耦合，缩小主地网和均压接地极之间的互感，增加均压接地极的分流作用，降低水平电流，减少地电位分布不均。