摘要：本文通过对比国内外相关规程规范对接地电阻的要求，并结合西藏某500kV变电站高电阻率的特点，提出了一种高土壤电阻率地区的变电站的接地可行的控制条件，该方案下的接地电阻能保证人身及设备安全，且经济性好。
0 引言
一个合格的地网是发、变电安全运行的重要保证，我国接地系统的设计通常按照行业标准的要求将接地网的地电位升控制在小于2000V。但随着我国电力系统容量的不断增大和系统短路水平的提高，相应的发、变电站入地短路电流越来越大 ，某些大城市的500kV变电站入地短路电流已达到30kA，甚至更大，此时，若再将地电位升控制在2000V以内，难度很大，甚至一些山区的变电站无法达到此要求，因此，该标准在实际中并未得到严格的执行，一些接地的设计者普遍认为应该提高极限地电位升高的允许值。为此通过对二次电缆和二次设备的工频耐压进行试验研究，提出了接地系统的地电位升可提高到5000V。通过对二次系统承受的干扰电压和地电位升之间的关联性以及二次设备的工频耐受电压研究，提出了可将地电位升提高到5000V的结论，并成为新的国家标准。地电位升按5000V进行控制，在新设计的发、变电站的设计中得到大量应用。
1．国内外标准对接地电阻的要求差异
接地电阻的大小是衡量接地电阻是否合格的一个重要指标，国内外相关规程对此都有相关的规定。
一、《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T 50065-2011）
该规程4.2.1条“有效接地系统和低电阻接地系统，应符合下列要求:1)接地网的接地电阻宜符合下列公式的要求，且保护接地接至变电站接地网的站用变压器的低压侧应采用TN 系统，低压电气装置应采用(含建筑物钢筋的)保护总等电位联结系统: R≤2000/I。2)当接地网的接地电阻不符合本规范式的要求时，可通过技术经济比较适当增大接地电阻。在符合本规范第4.3.3 条的规定时，接地网地电位升高可提高至5kV。必要时，经专门计算，且采取的措施可确保人身
和设备安全可靠时，接地网地电位升高还可进一步提高。”
二、《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》（修订版）的通知（国家电网生[2012]352 号）
第15.7.15 条“装设静态型、微机型继电保护装置和收发信机的厂、站接地电阻应按《计算机场地通用规范》（GB/T 2887-2011）规定，不大于1欧姆，上述设备的机箱应构成良好电磁屏蔽体，并有可靠的接地措施。”
三、IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding（IEEE Std80-2000）
IEEE Std80-2000是指导变电站接地设计重要的国外规范，本规范提出了不拘泥于接地电阻限制的设计思路，重点做好均压措施和增加设备的保护投入来保证变电站的安全运行，它更强调均衡电压的要求。
2．变电站基本情况
2.1短路电流情况
本工程远景500kV、220kV及110kV三相短路电流水平分别按50kA、40k、40kA设计，根据远期系统阻抗，500kV母线和220kV母线单相对地的短路电流分别为31.42kA和29.19kA，本站的入地短路电流为15.26kA。
2.2 电阻率
根据勘测专业《土壤电阻率测试报告》，站址区域内地层横向分布比较均匀，土壤电阻率值纵向呈逐渐减小的分布状态，根据电阻率值地层大致分层情况如下：
表2-1 土壤电阻率
2.3 接地体形式
根据十八项反措要求，接地体按照40年寿命进行设计，500kV变电站主接地网采用80X8mm热镀锌扁钢，设备接地引下线采用80×10mm热镀锌扁钢。
3.变电站接地降阻措施研究
3.1 全站接地电阻计算
在变电站围墙内0.75m处做闭合水平地网，埋深0.8m,在不采取降阻措施的情况下，由公式
R1=0.5
（3-1）
可取为4000Ω，全站接地面积s为63000m2得，变电站估算接地电阻为7.97Ω，如采取2000/I作为控制条件，得到全站的接地电阻需达到r1=0.131Ω，如采取5000/I作为控制条件，全站的接地电阻需达到0.327Ω，和全站估算的接地电阻7.97差距较大，很难采取降阻措施达到要求。
3.2 降阻目标的确定
对高土壤电阻率地区的变电站，在确保安全性的基础上，应经济合理的确定合理的接地电阻目标值，采取有效的降阻措施。根据国内标准，变电站的工频接地电阻应小于4Ω，地电位升不宜超过5000V，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金属氧化物避雷器的安全，避雷器不应动作或动作后应承受被赋予的能量。
保障人身安全：根据土壤电阻率初步计算接地电阻后，校核变电站内的接触电位差和跨步电位差是否满足要求。如果不满足要求，除采取降阻措施外，还可以通过铺设高阻层、加密接地网、使用四边不等间距接地网等综合措施，首选四边不等间距接地网。若跨步电压不满足要求，宜首选降低接地电阻；若跨步电压满足要求，而接触电压不满足要求，宜首选在设备周围铺设碎石、卵石等高阻层，加密接地网等，这些措施往往代价不大。
二次系统的安全：若地电位升超过标准推荐值（5kV/8kV)，应计算最大电位差，控制在2kV以内，并留有裕度。
根据以上要求，综合考虑降阻目标，以做到经济性最优，按以下步骤进行：
（一）首先不考虑降阻，计算该站的接地电阻及跨步电位及接触电位
由式（3-1）可得，全站接地电阻为7.97Ω。
地电位升Ug=IR=15.26*7.97*1000=121594V
下面计算接地网的最大接触电位差和跨步电位差：
（二）最大跨步电位差
接地体-80×8
等效直径d=0.08/2=0.04m
埋深h=-0.8m
全所接地网基本为一等间距长孔接地网
接地体-80×8
等效直径d=0.08/2=0.04m
埋深h=-0.8m
全所接地网基本为一等间距长孔接地网
计算取均压带根数n=19
接地网长度L1=272m宽度L2=11.7m
接地网面积S=63000m2
Kd=0.841-0.225lgd=0.841-0.225×lg0.04=1.156
KL=1.1
=1.1
=0.500
Kn=0.076+0.776/n=0.076+0.776/19=0.117
KS=0.234+0.414lg
=0.234+0.414lg
=1.227
Ktmax=KdKLKnKS=1.156×0.500×0.117×1.227=0.083
Utmax=KtmaxUg=0.083×121594=10094
（三）最大接触电位差
水平接地极总长L=9200
接地网外缘边线总长L0=1076
埋深h=0.8m
n=2(
)(
)1/2=2×(
)(
)=17.7
β=0.1
=0.1×
=0.42
0.746
Usmax=KsmaxUg=0.166×121594=20151V
（四）允许值计算
现在设计的变电站一般考虑地面硬化，即在地面铺设15~20cm的碎石后，土壤电阻率可达到5000Ω。
1.接触电位差允许值计算
Ut=(174+0.17ρf)/
=(174+0.17×5000)/
=1619V
2.跨步电位差允许值计算
Us=(174+0.7ρf)/
=(174+0.7×5000)/
=5809V
由以上可知，在铺设高阻层后全站的跨步电位差满足要求，接触电位差不满足要求。故本站还需进一步采取降阻措施。
（五）由接触电压差允许值推算本站需达到的最大接地电阻
由以上式可知，本站铺设高阻层后，本站的接触电压为允许值为1619V。
故本站需达到的最大接地电阻为：
R2= Ut /I/
=1619/15.26/0.083/1000=1.28Ω
由此值考虑本站的降阻方案。
（六）本站降阻方案
考虑到西藏环境的特殊性，需采用环保的材料进行降阻，在此使用煅烧石油焦炭填充钻孔间隙，煅烧石油焦炭在国内主要应用于高压直流输电的直流接地极址站“炭床”中，技术成熟，安全无污染。在主地网站内均匀布置12口60m的深井，以达到地土壤电阻率地带。深井采用机械钻孔，深井内布置直径20mm的铜包钢接地极，单根立面采用放热焊接连接，为了达到长效的防腐蚀能力，铜包钢铜层厚度必须达到1mm，采用套管拉拔法制造。
单口60米深井接地系统的接地电阻为：
则12口深井接地系统与水平地网并联后的综合电阻为：
由R5＜R2=1.28欧，知在此接触电阻下，接触电位差满足要求。
（七）保证二次设备安全
为保证二次系统设备的安全，应验算全站的最大电位差，需控制在2000V以内，考虑到接地网的暂态特性，最大电位差用软件仿真其结果。利用地网安全评估软件建立起地网模型并进行相关仿真。
由软件仿真结果，接地导体的最大电位差为1000V,在2000V之内，可保证二次系统的安全，同时，为降低二次电缆两端电位差，在站内宜沿二次电缆并行敷设铜接地带，电缆两端芯皮与铜接地带可靠连接，铜带与主网可靠连接。
结论
本文通过对比国内外相关规程规范对接地电阻的要求，并结合西藏某500kV变电站高电阻率的特点，提出了一种高土壤电阻率地区的变电站的接地可行的控制条件。首先，在不采取任何降阻措施的情况下，计算全站的接触电位差和跨步电位差，是否满足要求。若不满足要求，首先采取在变电站全站铺设高电阻层，再验证其接触电位差和跨步电位差是否满足要求，高土壤电阻率地区的变电站，接触电位差一般难以满足要求，跨步电位差容易满足要求，故由接触电位差推算全站需达到最大允许电阻，然后由此电阻确定全站降阻方案，在全站降阻后，最后通过软件仿真验证，接地导体之间的最大电位差，以保证设备的安全。
同时，高土壤电阻率地区的变电站不可以采用混凝土道路，混凝土道路在潮湿后，其电阻率仅有21~100Ω·m，跨步电位差不满足要求，易造成人身事故。建议采用沥青路面，沥青路面的电阻率干燥时高达2,000,000Ω·m，潮湿时期电阻率不小于1,000,000Ω·m，其跨步电位差满足要求。
参考文献
[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会《计算机场地通用规范》（GB/T 2887-2011)，中国标准出版社.
[2]IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding（IEEE Std80-2000）
[3]水利电力部西北电力设计院编《电气工程电气设计手册 电气一次部分》，中国电力出版社.
论文作者:丁同乐
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/3/25
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