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摘要：从工程实际出发，介绍了变电站接地电阻的规程计算公式和数值计算方法，以实际变电站的接地网为例对比规程公式和数值算法的结果进行对比；对变电站接地电阻的降阻措施进行了分析，结合实际接地网提出了合理的改善方案。
关键词：变电站；接地电阻；短路电流；接触电压；跨步电压
变电站接地网接地电阻是否符合要求与电力安全生产密切相关，接地电阻值的大小是衡量接地系统的有效性、安全性以及鉴定接地系统是否符合规程要求的重要指标。在我国，接地网运行中出现的安全问题越来越多，但接地电阻的计算分析却仍然使用传统的方法，从而造成接地网设计与实际安全运行的矛盾非常突出，因此迫切需要提出新的更为有效的接地电阻计算分析方法。此外，由于电力系统规模的不断扩大，短路电流也随之增加，加上各种微机监控设备的普遍应用，大大增加了接地系统设计的难度。在高土壤电阻率区，这一问题更加突出，因此要采用各种措施降低接地电阻。
1对变电站接地极电阻进行建模分析的意义
目前变电站的接地工程中，如何将接地电阻降至安全限值以下依然是主要的技术难题之一。近年来人们开始采用接地模块作为接地体解决接地降阻难题，但对于变电站中由于接地极模块方面，还缺乏科学的依据，在构建中存在盲目性，无形中提升了变电站接地的风险。并且，若是在城市城区内建设变电站，由于用地面积因素，使得变电站的面积大为缩减，这样会导致接地网不能向四周进行伸展，从而在接地极电阻设置中也将面临挑战。另外，若是要将变电站建立在多山的区域，或是在丘陵地带中，由于当地土壤的电阻率比较大，若是按常规的接地电阻设计，则不能达到变电网运行中对接地电阻的要求。为此，只有强化变电站接地极电阻建模及特征分析工作，通过对变电站现场实验测量与仿真模型计算，对变电站接地极电阻进行建模计算，设置出合理的变电站接地极电阻值，发挥积极的实用意义。
2接地电阻的计算
2.1常规接地电阻的解析公式
根据《电力设备接地设计技术规程》的解释，接地电阻值等于接地装置对地电压与通过接地体流入地中电流的比值。同时还指出：凡本规程未标明为冲击接地电阻的，都指的是工频接地电阻。
接地电阻值与土壤电阻率成正比，而大致与接地体的长度成反比。金属管形（或棒形和角钢）的接地电阻值随长度的增加而迅速下降（当长度超过5m时，接地电阻下降缓慢。
2.2接地电阻的数值算法
对变电站接地电阻的计算，工程上一般采用规程上给定的计算公式，这些简化的计算公式是由基于简单形状的接地电阻解析公式，经归纳修正而得的。对于已经建于农田、低洼地的小型地网和简单的土壤结构，由于经验丰富，计算结果是较为准确的（但对于建在丘陵、山地的大型地网，与基于简单接地体的物理状况和地理状况差异都很大，而经验数据资料也欠丰富，使得公式计算结果与实测值相去甚远，对大型地网设计的指导意义不大。因此有必要研究在复杂土壤中如何计算接地电阻的方法。
接地网是用来向大地排泄故障电流的设备，其接地阻抗、地表电位分布、跨步电压和接触电压是由土壤中的电磁场决定的，因而电磁场的分析方法是分析接地网的有效方法。电磁场数值计算方法有很多种，如有限元法、边界元法、模拟电荷法及有限差分法等，这些数值算法相继产生和改进，并被逐渐引入到接地参数的实际计算中。但是，这些方法均有很大的局限性。使用这些方法或者前期处理困难，或者考虑的问题简单，或者计算量大。例如边界元法由于在不同土壤层的分界面上需要引入大量电荷变量，导致该方法计算量较大，而且边界元法在分析接地网的不等电位分布和频域特性时有较大困难。
本数值计算法基于以往算法，根据恒定电流场理论，用格林函数和表面电荷法原理，充分考虑接地网实际形状，对各导体散流不作假设，结合点源法和二次分段技巧兼顾了计算的准确度和速度。电流流经接地系统时，根据恒定电流场理论，任一点的电位满足拉普拉斯方程，分段处理构成接地系统的导体，使计算电位的复杂积分式（5）变为求和形式式（6），再用二次分段后各微段的电阻和互电阻系数计算求得地网的流散电流，从而得到任一点的电位、接地电阻、跨步电压和接触电压等地网参数
式中G（P，Q）为格林函数，代表单位电流通过电极表面Q在P点产生的电位。
3降低接地电阻的措施
工程上一般常用的降低接地电阻的措施主要有以下几种：
（1）采用外引式接地
若在变电站附近有土壤电阻率较低的地方，可将接地体外引，但连接干线不得少于两根。但在设计和施工时，必须考虑到连接地极干线的自身电阻所带来的影响，因此外引长度不宜超过100m。结合工程实际情况经过分析，结果表明：当水平接地体长度增大时，电感的影响随之增大，从而使冲击系数增大，当接地体达到一定长度时，即便再增加其长度，冲击接地电阻也不再下降，一般来说接地体的最大长度应不大于接地体的有效长度的1/8。
（2）对土壤进行处理
在接地体周围土壤中加食盐、木炭、电石渣和石灰等化学物，提高土壤导电性。例如土壤中加入食盐时，砂质粘土电阻率可减少1/3~1/2，砂土可减少3/5~3/4，多岩土壤可增加60%。这种方法工程造价较低且效果明显，但会降低接地性能的稳定性，加速接地体腐蚀，减少接地体的使用年限。另外还可以采用更换土壤的方法，用电阻率较低的土壤替换原有电阻率较高的土壤，置换范围在接地体周围0.5m以内和接地体的1/3处。但这种置换方法对人力和工时耗费都很大。
（3）深埋接地极
当地下深处的土壤电阻率较低或有水时，可采取深埋接地极来降低接地电阻值。这种方法对含砂土壤效果明显。据有关资料记载，在3m深处的土壤电阻系数100%；4m深处为75%；5m深处为60%；6.5m深处为50%。这种方法可以不考虑土壤冻结和干枯所增加的电阻系数，但施工困难，土方量大，造价高，在岩石地困难更大。
（4）采取深井接地
有条件时还可以采用深井接地，用钻机钻孔，把钢管接地极打入井孔内，并向钢管和井内灌注泥浆。
（5）采用接地电阻降阻剂
降阻剂是用来降低高土壤电阻率接地体电阻的物质，由多种物质配制而成，具有导电性能良好的强电解质和水分。这些强电解质和水分被网状胶体包围，网状胶体和空格又被水解和胶体填充，使它不至于随地下水和雨水流失，因而能长期保持良好的导电作用。一般在接地要求较高的设备接地时采用这种方法。在接地体周围敷设降阻剂后，可以起到增大接地极外形尺寸，降低与周围大地介质之间的接触电阻的作用。降阻剂用于小面积的集中接地小型接地网时，降阻效果较为显著，这是目前采用的一种较新和积极推广的方法。
（6）扩大接地网尺寸
为了使工频接地电阻达到规程要求的标准，解决的办法就是把地网的面积扩大，或在已建成地网的附近，找一处电阻率较低的地方，如水塘、水田及水洼地等，再建设一个新地网，然后把两地网连接，从而使地网的接地电阻降低。这种方法会使投资增大，同时外引接地还需注意：距离不能太远，接地体要深埋，要采取安全保护措施，防止因跨步电位差引起人员和牲畜发生触电事故，必须保证外引接地的安全性。
结语
变电站接地是保证人身安全以及电气设备和过电压保护装置正常工作的非常重要的技术措施，它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。
参考文献：
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[2]王靖倩，沈保国.基于电磁暂态程序的架空地线分流系数的计算[D].广东电力，2012，25（5）：95-102.
[3]杨琳.接地系统暂态特性数值计算及试验研究[D].成都：西南交通大学，2012.
论文作者:曹红军
论文发表刊物:《电力设备》2017年第5期
论文发表时间:2017/5/26
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