摘要：为了合理经济地设计变电站接地系统，必须先确定变电站接地故障短路电流。本文论述了变电站接地故障短路电流的相关计算方法，结合实际设计流程指出了不同接地故障短路电流的作用、区别和联系，同时指出了接地故障电流计算中常见的一些误区。
关键词：接地故障；短路电流
1 绪论
随着电力系统过去十多年的快速发展，全国电网规模迅速扩大，各地省市县级电网的互连也愈发紧密，这使得电网系统阻抗越来越小，相应的系统短路电流则越来越大。在这种形势下，变电站作为电网重要的节点，设计合理经济的接地系统显得更为重要。若接地故障电流计算偏小，则接地网接地电阻会偏大、接地导体选择会偏小，接地短路故障情况下，很可能会危机电网设备甚至人身安全；反之，若接地故障电流计算偏大，会造成接地网设计裕度过大，经济上不合理。文献[1]作为电力工程综合性的设计手册，详尽地给出短路电流计算的基本方法；文献[2]给出了接地网设计的基本方法，并在旧规范的基础上做了较大的改进。本文结合两个文献以及实际设计经验，阐述了几个接地短路故障电流的作用、区别和联系，同时指出了设计工作中易犯的几个错误。
2基本概念和公式
2.1短路电流
我国电网可分为交流电网和直流电网，以下以三相交流系统为例进行阐述。三相交流系统的短路故障类型按照相、地的关系通常分为：三相短路故障、两相短路故障、两相接地短路故障、单相接地短路故障，其中两相接地短路故障和单相接地短路故障都属于接地短路故障，和接地网的设计直接相关。
通常电力公司给定的最大短路电流值是三相短路电流有效值，该值可能大于接地短路电流有效值，也可能小于接地短路电流，有的设计人员直接采用三相短路电流或统统采用对称电流进行接地网设计，要么会造成接地网工程量偏大、造价偏高，经济性较差；要么会造成接地网电阻偏高、不能及时泄放接地故障短路电流，严重者会引发设备甚至人身安全问题，因此，在设计过程中有必要对各种接地短路电流概念加以明确区分。实际设计流程中，为了计算出接地网材料截面、接地网接地电阻，通常按照以下步骤计算得出各接地故障电流。
2.2 接地故障对称电流If
接地故障对称电流If是指是指发生接地短路故障时短路点的交流短路电流有效值。高压短路电流计算一般只考虑系统中各元件的电抗值，通常电力公司都会给出系统侧正负序电抗和零序电抗，根据文献[1]，接地短路故障电流可计算如下（以下按无限大电源系统来论述）：
三相短路故障对称电流：
（2.1）
两相接地短路故障对称电流：
（2.2）
单相接地短路故障对称电流：
（2.3）
以上几式中，
分别为电源对短路点的等值正序总电抗、负序总电抗、零序总电抗的标幺值，Ij为短路电流计算选定的基准电流。
此步骤中，设计人员尤其是初学者可能会犯的错误为：将三相短路电流当做接地故障短路电流进行计算，导致接地网设计裕度偏大或偏小，造成资源浪费或安全隐患。
2.3 接地故障不对称电流IF
接地故障不对称电流IF是指是指发生接地短路故障时短路点总的短路电流有效值，该值由交流分量和直流分量两个部分组成。
根据If，可通过如下公式求取IF：
（2.4）
其中Df为衰减系数，可直接查文献[2]附录B表B.0.3中的数值。
IF可用于接地导体（线）的热稳定校验，通过下述公式得出接地导体（线）满足热稳定要求的最小截面：
（2.5）
其中C为接地导体（线）材料的热稳定系数，通常对钢和铝材可取70和120；te为接地故障的等效持续时间，等于主保护动作时间、失灵保护动作时间与断路器开断时间之和，或第一级后备保护动作时间与断路器开断时间之和。
得到
之后结合机械结构强度和防腐蚀等要求可得到工程需要的接地导体（线）的最小截面要求，由此选择出合适的接地导体（线）。
此步骤中，设计人员易犯的错误有两点：
1）文献[1]由于发布年份较早，其中并未给出不对称电流与对称电流的概念，因此有不少设计人员至今还在用接地故障对称电流
来校验接地极热稳定截面积，而这样得到的热稳定截面积
是偏小的。
2）式（2.5）中的接地导体（线）是指电气装置与接地网的连接导体（线），而接地装置接地极是指接地装置本身的水平接地极、垂直接地极等，根据文献[2]，接地装置接地极的截面，按不宜小于连接至该接地装置的接地导体（线）截面的75%即可，如果同样按式（2.5）选择，便会造成截面偏大，经济性较差。
2.4 接地网最大入地对称电流
接地网最大入地对称电流
是指发生接地短路故障时通过接地网流入大地的交流短路电流有效值。在得到
后，可根据如下步骤求取
：
1）厂站内发生接地短路故障时，
流经设备中性点的故障电流
以及架空线路地线上流过的短路电流
之间的关系如下图所示：
图2.1 厂站内接地故障时各短路电流关系示意图
由上图可知，厂站内发生接地故障时，相关各短路电流的关系为
（2.6）
为接地短路故障最大电流，
；
Sf1为厂站内发生接地短路故障时的分流系数，具体见文献[2]附录B。
需注意的是，如果厂站内为中性点不接地系统，则上图中
=0，代入上式计算即可。
2）厂站外发生接地短路故障时，
以及架空线路地线上流过的零序短路电流
之间的关系如下图所示：
图2.2 厂站外接地故障时各短路电流关系示意图
由上图可知，厂站外发生接地故障时，相关各短路电流的关系为
（2.7）
Sf2为厂站外发生接地短路故障时的分流系数，具体见文献[2]附录B。
3）发生接地短路故障时流经设备中性点的故障电流
厂站内外发生接地短路故障时
之间的关系可用下图示意：
图2.3 厂站内外发生接地短路故障时
关系示意图
在已知系统侧零序电抗
和厂站内零序电抗
的情况下，结合上图和并联分流原理可通过以下简易公式估算得出
：
（2.8）
4）对于高电阻接地系统，根据上述步骤得到的
来计算接地网接地电阻设计值，且R不应大于4Ω。
5）对于谐振接地系统：若装有自动跟踪补偿消弧装置，则
等于同一接地网中同一系统各自动跟踪补偿消弧线圈装置额定电流总和的1.25倍；若未装设自动跟踪补偿消弧线圈装置，
等于系统中断开最大一套自动跟踪补偿消弧装置或系统中最长线路被切除时的最大可能残余电流值。
6）对于不接地系统，
可取单相电容电流，计算方法详见文献[1]第261页。
在本步骤中，设计人员易犯的错误为：
1）不计算入地电流
，直接用总的接地故障电流
来设计接地网，使得接地电阻设计裕度偏大，造成接地网经济性较差；
2）不计算入地电流
，直接用R≤4Ω来控制，造成设计接地电阻偏高，形成安全隐患。
2.5 接地网最大入地不对称电流IG
接地网最大入地不对称电流IG是指发生接地短路故障时通过接地网流入大地的总的短路电流有效值，该值同样由交流分量和直流分量两个部分组成。根据上一步得出的
，可通过如下公式求取IG：
（2.9）
得到IG后，对于有效接地系统和低电阻接地系统，可根据
计算得到接地网接地电阻设计值，也可根据具体情况验证后适当提高接地电阻设计值。
在此步骤中，设计人员易犯的错误为：不考虑衰减系数Df，直接用最大入地对称电流
来计算R，导致设计接地电阻偏高，接地网存在安全隐患。
3 结论
通过对接地短路故障电流的梳理分析，本文分别明确了接地故障电流和入地电流、不对称电流与对称电流的区别与联系，同时指出了设计工作中易犯的几个错误，分别如下所示：
1）将三相短路电流或者总的接地故障电流
当作入地电流
来使用，导致接地网设计整体不合理；
2）忽视短路电流中的直流分量，将对称电流当作不对称电流来使用，导致接地线截面偏小或设计接地电阻偏高；
3）没有区分接地导体（线）和接地极，导致接地极设计不经济；
4）对于非有效接地系统，仅仅用R≤4Ω设计接地电阻，导致设计接地电阻可能偏高。
参考文献
[1] 水利电力部西北电力设计院. 电力工程电气设计手册1（电气一次部分）[S].北京：水利电力出版社，2005.
[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB/T 50065-2011交流电气装置的接地设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2011.
论文作者:马铂浩
论文发表刊物:《电力设备》2018年第11期
论文发表时间:2018/8/6
标签：电流论文; 故障论文; 电阻论文; 对称论文; 系统论文; 截面论文; 电抗论文; 《电力设备》2018年第11期论文;