電力系統(tǒng)接地技術(shù)（電力系統(tǒng)接地技術(shù)）

背景

接地裝置不僅為各種電氣設(shè)備提供一個公共的參考地，而且在發(fā)生故障或雷擊時，能夠?qū)⒐收想娏骰蚶纂娏餮杆偕⒘?，限制地電位的升高，保證人身和設(shè)備安全，因此接地是確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要條件，其可靠性及安全性能一直受到設(shè)計和生產(chǎn)運行部門的高度重視。電力系統(tǒng)接地就其目的來說可分為工作接地、防雷接地和保護接地3種。工作接地是為了降低電力設(shè)備的絕緣水平，如采用中性點接地的方式；防雷接地是為了避免雷電的危害，避雷針、避雷線和線路桿塔等都必須配以相應(yīng)的接地裝置以便把雷電流導(dǎo)入大地；而電力設(shè)備為保證人身安全必須接地的情況則稱為保護接地。

我國電力工業(yè)在未來15-20年內(nèi)仍將保持快速增長，而且西電東送和南北互供的全國聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的實現(xiàn)，均需建設(shè)大量超/特高壓輸變電系統(tǒng)。隨著電壓等級提高的同時，輸送容量也越來越大，造成變電站的短路電流也相應(yīng)的增加，從過去的幾kA已增加到63 kA；流經(jīng)接地網(wǎng)的電流頻率也非常豐富，不單有工頻故障電流，還有雷擊、操作、特快速暫態(tài)過電壓(VFTO)的高頻暫態(tài)電流；同時，二次系統(tǒng)在微機化、智能化的趨勢下，抗干擾能力卻很難明顯提高，因而對于變電站的接地網(wǎng)要求也更高。另一方面，接地網(wǎng)的面積在不斷增加，最大邊長大于500米，地電位的均勻性越來越難以保證，覆蓋的土壤結(jié)構(gòu)也越來越不均勻。與此同時，由于土地資源日益稀缺，變電站的地質(zhì)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，高土壤電阻率、凍土、鹽堿土等特殊地質(zhì)條件給接地網(wǎng)的設(shè)計和運行維護帶來困難，因此要在入地電流大、占地面積大、接地體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、土壤電阻率分布不均勻的地區(qū)開展接地設(shè)計與運行維護工作存在很多問題。

與變電站接地網(wǎng)相一致，輸電走廊的緊張使得線路越來越向山區(qū)發(fā)展，雷擊等自然災(zāi)害對線路的安全運行影響越來越大。提高輸電線路的耐雷水平、降低雷擊跳閘率對電力系統(tǒng)的安全運行有非常重要的意義。在其他因素一定的情況下，接地裝置的沖擊接地電阻值越低，線路反擊閃絡(luò)的概率也越低。因此，輸電線路接地裝置在雷電流作用下的沖擊暫態(tài)特性直接影響到輸電線路的防雷效果，是電力部門迫切需要解決的實際難題。

近年來的研究進展

由于接地裝置需要設(shè)計、建設(shè)和運行維護，因此接地技術(shù)的研究貫穿于以上各個階段，包括安全指標(biāo)、仿真分析、降阻措施、測試和評估等方面，在每個方面又需要從工頻和暫態(tài)等多個角度分析問題，目前，對接地技術(shù)的研究已經(jīng)全面展開，并且已經(jīng)取得了一定成果，一些技術(shù)和理念已經(jīng)成功用于解決工程實際難題，下面分別介紹。

我國在接地系統(tǒng)設(shè)計方面主要存在兩方面的問題，一是設(shè)計過于簡單，二是過于強調(diào)接地電阻，而不重視接觸電位差、跨步電位差、轉(zhuǎn)移電位差等。過去入地短路電流I只有幾kA，接地電阻容易滿足要求。隨著接地故障電流的不斷增大，發(fā)變電站接地電阻R要滿足要求很難，導(dǎo)致目前標(biāo)準(zhǔn)中的2 000 V地電位升限值并未在實際接地設(shè)計中被有效執(zhí)行，失去了應(yīng)有的規(guī)范作用。同時，即使地電位升滿足要求，但若接地裝置設(shè)計不合理，在發(fā)生接地故障時，地面仍可能出現(xiàn)高電位梯度，給運行人員帶來危險。因此，研究接地設(shè)計所需考慮的參數(shù)及其限值，有針對性地設(shè)計、改造接地裝置，對于確保發(fā)變電站安全穩(wěn)定運行具有重要意義。通過大量理論分析、實驗和實踐應(yīng)用，目前國標(biāo)GB50065已經(jīng)給出了以上安全指標(biāo)的相應(yīng)限值。明確相關(guān)指標(biāo)的作用，可以在地電位升或接地電阻難以滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求時，通過合理設(shè)計接地裝置保證設(shè)備和人身的安全。

電力系統(tǒng)接地的目標(biāo)就是確保一、二次設(shè)備以及人身的安全。事實上，對設(shè)備和人身造成安全影響的均為接地點之間的電位差。目前保護設(shè)備和人身安全的相應(yīng)指標(biāo)包括接地電阻(地電位升)、接觸電位差、跨步電位差、轉(zhuǎn)移電位差等均通過電位差體現(xiàn)，如圖所示，下面分別討論。

接地安全指標(biāo)示意圖

接地電阻和地電位升一直是設(shè)計和運行中主要分析的參數(shù)，是接地技術(shù)研究的熱點，一些研究成果已總結(jié)在GB 50065中。對于小面積接地網(wǎng)或者銅接地網(wǎng)，接地網(wǎng)地電位升與工頻入地電流之間的相位差很小，相應(yīng)比值稱為接地電阻；對于大面積鋼接地網(wǎng)，接地網(wǎng)地電位升與工頻入地電流之間的相位差較大，相應(yīng)比值稱為接地阻抗。地電位升主要影響一、二次設(shè)備安全。由于二次設(shè)備耐壓較低，因此是確定地電位升限值的主要考慮因素。

傳統(tǒng)的變電站存在通信等二次電纜與站外設(shè)備有金屬性連接的情況，此時，地電位升全部施加在二次設(shè)備上，由于微機保護等二次設(shè)備的耐壓在2000 V左右，因此GB 50065規(guī)定，地電位升不應(yīng)超過2000 V。現(xiàn)代變電站的二次系統(tǒng)與站外的連接通常通過光纖，因此二次設(shè)備的金屬連接部分通常全部位于變電站內(nèi)。此時其承受的最大電壓即為變電站內(nèi)兩端接地點之間的電位差，不是全部的地電位升，這里稱之為地電位差。影響該電位差的主要因素是二次系統(tǒng)兩接地點之間接地網(wǎng)的連通性，并不是接地網(wǎng)的絕對地電位升。減小接地點之間的電位差的最有效方式是使用良導(dǎo)體接地網(wǎng)、增加接地網(wǎng)密度，包括沿電纜溝并鋪銅排等。當(dāng)接地系統(tǒng)連接緊密時，即使土壤電阻率很高導(dǎo)致地電位升很高，變電站接地體之間的最大電位差也很小。因此對于沒有高電位從二次設(shè)備引出變電站的情況，限值地電位升小于2000 V非常不合理，而應(yīng)當(dāng)是限值變電站內(nèi)地電位差小于2000 V。由此，變電站的地電位升可以進一步提高。事實上，對于各種高電位引出或者低電位引入的情況(也就是轉(zhuǎn)移電位差)，如果采取合理的隔離措施，如增設(shè)隔離變壓器，則均可以消除絕對地電位升的影響，從而放松對地電位升的要求。

但是，即使地電位差小于2000 V，地電位升限值也并不是一味地可以提高。事實上，此時還需要考慮地電位升對一次設(shè)備的影響。對于變電站內(nèi)高、中壓一次設(shè)備，由于其耐壓較高，即使地電位升很高也不會影響其安全運行。耐壓最差的一次設(shè)備是電壓較低的設(shè)備，如10kV或35kV站外供電系統(tǒng)。由于10 kV或35 kV變壓器中性點并不接地，且其本身為感性設(shè)備，考慮故障電流的暫態(tài)特性，變電站中、高壓側(cè)有故障電流入地，導(dǎo)致地電位升高時，10 kV或35 kV各相的電位并不一定同時升高(其參考點可能在站外的電源)，并且可能存在滯后效應(yīng)。此時，考慮到三相之間的相位差，很可能10 kV或35 kV某相的電位與變電站的地電位升反相，造成相應(yīng)避雷器承受的電位是相電壓與本變電站地電位升之和。如果該電壓過高，將導(dǎo)致避雷器動作以保護10 kV或35 kV電源供電系統(tǒng)的安全，當(dāng)避雷器的容量夠不夠時，避雷器可能爆炸?？梢?，對于一次設(shè)備，變電站受地電位升影響最大的是10kV或35kV避雷器，地電位升高不應(yīng)對其造成損壞。

綜上，對于沒有二次系統(tǒng)引出站外的變電站，其地電位升可大于2000 V，但應(yīng)小于其他所有高電位引出系統(tǒng)的耐受能力，比如10 kV或35 kV站外供電系統(tǒng)避雷器的動作電壓。同時，要保證接地網(wǎng)內(nèi)的電位差盡量小，不超過二次設(shè)備等的耐受值。對于有二次系統(tǒng)或者其他系統(tǒng)引出站外的情況，采取適當(dāng)?shù)母綦x措施后，地電位升也可以進一步提高?？傊?，接地設(shè)計應(yīng)當(dāng)更注重減小地電位差，使地電位分布更均勻，而不是絕對地電位升。減小地電位差可以通過加密接地體、使用良導(dǎo)體接地等，而不是一味的降低接地電阻。目前這一設(shè)計思想已經(jīng)在我國高土壤電阻率中的超、特高壓變電站、電廠得到了應(yīng)用。

2)接觸電位差、跨步電位差

接觸電位差、跨步電位差的限值保證了人身安全。我國原有行標(biāo)規(guī)定的安全限值沒有考慮高阻層的影響。GB 50065參照美國IEEE標(biāo)準(zhǔn)，引入了考慮高阻層影響的衰減系數(shù)，修正了接觸電位差和跨步電位差的限值。

我國以前對接觸電位差、跨步電位差不夠重視，認為只要接地電阻小，接觸電位差、跨步電位差就沒問題了。但事實上，接地電阻與接地網(wǎng)的面積相關(guān)，而接觸電位差、跨步電位差與接地網(wǎng)的密度相關(guān)，兩者并沒有非常緊密的聯(lián)系。占地很大的接地網(wǎng)，接地電阻可能很低，但如果接地網(wǎng)格稀疏，接觸電位差、跨步電位差可能會很大。因此降低接觸電位差、跨步電位差并不需要采用降阻的方法，而是需要增加接地體密度。極限的情況，如果變電站接地采用金屬板，則接地電阻仍然存在，但接觸電位差、跨步電位差卻幾乎為0 ? 。

20世紀90年代，重慶大學(xué)提出接地體不等間距布置本質(zhì)上也是在接觸電位差、跨步電位差較大的接地網(wǎng)邊緣增加接地體密度，以達到降低最大接觸電位差和跨步電位差的目的[}zo}。接地體不等間距布置基本不影響接地電阻。

接地網(wǎng)設(shè)計應(yīng)考慮接地系統(tǒng)中最嚴重的接觸電位差、跨步電位差以及接地網(wǎng)上最大電位差的情況來作為設(shè)計的基礎(chǔ)。事實證明，在大多數(shù)情況下，只要通過精心、合理的設(shè)計，可使危險電位降低到最低值。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，國外的接地系統(tǒng)設(shè)計一般是根據(jù)土壤地質(zhì)結(jié)構(gòu)，采用多層土壤結(jié)構(gòu)模型，分析接地系統(tǒng)的接地電阻、地電位升、地電位差、接觸電位差和跨步電位差，確保施工完成的接地系統(tǒng)滿足安全要求。另外一方面，科學(xué)的設(shè)計能夠根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的實際情況，因地制宜進行接地系統(tǒng)設(shè)計，經(jīng)濟有效地降低接地電阻、地電位差、接觸電位差和跨步電位差。

到目前為止，國內(nèi)外在接地系統(tǒng)數(shù)值計算方面開展了大量的研究工作。主要包括如下三方面：一是確定符合實際的土壤結(jié)構(gòu)模型，二是接地系統(tǒng)電氣參數(shù)計算，三是入地電流和分流系數(shù)的計算。

1)土壤結(jié)構(gòu)分析

在均勻土壤中，水平接地網(wǎng)的接地電阻與接地系統(tǒng)所處土壤電阻率成正比，與地網(wǎng)面積的平方根成反比，因此土壤電阻率對于接地電阻的影響非常顯著。土壤電阻率的合理估計是進行接地系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。早期的接地系統(tǒng)設(shè)計把土壤看成均勻的，利用經(jīng)驗公式對接地電阻值進行估計。進入20世紀70年代末期以后，通過借鑒地質(zhì)研究中的沉積巖構(gòu)造理論，人們意識到土壤分層結(jié)構(gòu)對于接地系統(tǒng)參數(shù)的影響，開始進行土壤分層的研究。鑒于土壤分層計算的復(fù)雜性，早期的研究局限在兩層土壤結(jié)構(gòu)的分析上。一方面的研究工作是將各種可能的土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)組合制成所謂的“量板”，將測量結(jié)果與量板上的曲線對比來確定土壤分層結(jié)構(gòu)；另一方面的研究工作是通過理論推導(dǎo)，得到了分析雙層水平分層土壤結(jié)構(gòu)的數(shù)值解。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值計算的方法對多層土壤模型進行了比較深入的研究?；境霭l(fā)點都是從點電流源產(chǎn)生的電場推導(dǎo)得到隨測量極間距變化的視在電阻率的解析表達式，采用合適的數(shù)值計算方法反演分析得到土壤的結(jié)構(gòu)參數(shù)。各研究者研究方法的不同之處，在于反演求解土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)時采用的數(shù)值計算方法不同。

從20世紀90年代開始，武漢大學(xué)、清華大學(xué)、華北電力大學(xué)等高校在消化吸收國內(nèi)外研究先進成果的基礎(chǔ)上，開展了深入的地中電場計算、多層土壤結(jié)構(gòu)反演工作，并開發(fā)了相關(guān)軟件，目前在土壤結(jié)構(gòu)分析的計算方法方面已經(jīng)走在了世界前列。

2)接地系統(tǒng)電氣參數(shù)分析方法

為了確保發(fā)變電站的安全運行，進行符合實際情況的地網(wǎng)參數(shù)計算是極其重要的。接地系統(tǒng)接地參數(shù)的計算方法可以分為兩類：一類是采用經(jīng)驗公式進行估算，另一類則是采用數(shù)值計算方法進行比較精確的計算。

采用簡單的經(jīng)驗公式分析接地系統(tǒng)的接地參數(shù)是各種標(biāo)準(zhǔn)推薦的發(fā)變電站接地系統(tǒng)設(shè)計的方法，如IEEE Std80-2000、我國的接地標(biāo)準(zhǔn)等均采用簡單的經(jīng)驗公式來進行發(fā)變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計。各種經(jīng)驗公式是基于對接地系統(tǒng)的近似處理，采用理論分析、數(shù)值計算及模擬試驗分析得到的。這些計算公式在如下方面做了近似處理：

(1)將接地裝置的幾何形狀進行適當(dāng)?shù)母淖?，以便于進行數(shù)學(xué)分析。如將水平接地網(wǎng)用實心圓盤來代替，然后進行適當(dāng)?shù)男拚钥紤]地網(wǎng)的實際結(jié)構(gòu)；在我國接地規(guī)程中推薦的地網(wǎng)接地電阻的計算公式則是根據(jù)圓盤和圓環(huán)的接地電阻理論公式用線性內(nèi)插法分析得到的。

(2)假設(shè)電流在接地系統(tǒng)的所有接地導(dǎo)體上均勻分布。這與實際情況相差較遠，對于大型接地網(wǎng)，內(nèi)部導(dǎo)體被外部導(dǎo)體屏蔽，導(dǎo)致電流分布不均勻。

(3)假定土壤結(jié)構(gòu)均勻?，F(xiàn)代發(fā)變電站占地面積大、地下情況復(fù)雜，對于電阻率不均勻土壤，如土壤分層時，計算方法不再適用。

隨著計算機的發(fā)展，各國學(xué)者將各種數(shù)值計算方法應(yīng)用到接地參數(shù)的計算中來，如有限差分法、有限元法、模擬電荷法、邊界元法等。采用數(shù)值計算方法，能夠比較全面地考慮地網(wǎng)的實際結(jié)構(gòu)及故障電流流散時的實際情況，即考慮到地網(wǎng)不同部分導(dǎo)體散流的非均勻性，對于任意復(fù)雜接地網(wǎng)都能得到比較滿意的計算結(jié)果，同時也能在技術(shù)經(jīng)濟上達到最優(yōu)，解決了采用經(jīng)驗公式進行計算中的各種問題。

20世紀70-80年代提出的差分法、有限元法、模擬電荷法、邊界元法、多步法、平均電位法、矩陣法和解藕法等更適合于均勻土壤及雙層土壤模型中接地參數(shù)的數(shù)值計算。而90年代以來提出的濾波法、基數(shù)鏡像法及復(fù)數(shù)鏡像法更適合于多層土壤結(jié)構(gòu)模型中接地參數(shù)的分析。

3)入地電流及分流系數(shù)

電力系統(tǒng)發(fā)生短路時，只有一部分短路電流經(jīng)接地網(wǎng)流入大地，其余部分經(jīng)變壓器中性點、與地網(wǎng)相連的架空地線、電力電纜的屏蔽層流回系統(tǒng)。因此研究故障時的電流分布，確定入地電流是分析接地系統(tǒng)安全指標(biāo)的基礎(chǔ)。獲得準(zhǔn)確的故障電流分布需要明確電流分布的機理和模型。入地電流與總故障電流的比值(分流系數(shù))除受變電站接地電阻、線路地線電阻、桿塔接地電阻等的阻性分流影響比較大外，線路地線與相線之間的互感也會起很大作用。實際變電站故障發(fā)生時，故障電流由線路的相導(dǎo)線提供，即相導(dǎo)線作為電流引線，如圖所示。

此時，由于相導(dǎo)線與其地線一直保持長距離平行，之間的距離也非常近，造成它們兩者之間的互感很大。相導(dǎo)線提供的故障電流會通過互感的作用在地線中感應(yīng)出很大的反向電流，這部分電流是分走故障電流的主要部分之一。并且，由于互感的作用，如果有多回線路的情況，提供故障電流多的線路地線分走的電流多，其他線路地線分走的電流少。

入地電流的準(zhǔn)確計算主要取決于建立精確的短路電流模型，而該模型的計算方法目前已經(jīng)比較成熟。在眾多短路電流計算方法和軟件中，被電力系統(tǒng)肯定并經(jīng)常使用的有運算曲線法、PSASP和PSD-BPA等。國內(nèi)清華大學(xué)、華北電力大學(xué)等基于電路模型，開發(fā)了專門計算短路電流分流系數(shù)的軟件，方便了工程應(yīng)用。同時，國內(nèi)也開展了分流系數(shù)的測試研究，驗證理論分析結(jié)果的有效性。

為降低接地裝置的接地電阻，人們采取了各種各樣的措施。傳統(tǒng)的措施主要在接地網(wǎng)的2維方向進行研究，包括擴大接地網(wǎng)面積、引外接地、增加接地網(wǎng)的埋設(shè)深度、利用自然接地、局部換土、接地模塊和離子棒等。隨著接地系統(tǒng)降阻要求的逐步提高，新型降阻技術(shù)不斷出現(xiàn)，充分利用接地網(wǎng)周圍的地形、地質(zhì)特性，構(gòu)建3維立體接地網(wǎng)成為趨勢，除垂直接地極外，斜接地極技術(shù)、深水井接地技術(shù)和深井爆破接地技術(shù)施工已經(jīng)在很多高土壤電阻率地區(qū)變電站的接地改造中取得顯著的成效。但目前各種降阻措施的研究工作大部分僅針對某一種措施展開，缺乏組合降阻措施的研究，各種降阻措施之間也缺乏系統(tǒng)的比較，實際在降阻措施的選用中存在盲目性。當(dāng)前我國接地系統(tǒng)的設(shè)計過程中，對于接地系統(tǒng)的初步設(shè)計和優(yōu)化降阻只能依靠工程技術(shù)人員的經(jīng)驗和思維，而一旦不具備這種經(jīng)驗或考慮不周，就會造成設(shè)計過程繁瑣反復(fù)，而且可能造成設(shè)計結(jié)果脫離實際、經(jīng)濟性和技術(shù)性權(quán)衡不足，一旦設(shè)計結(jié)果付諸實踐，則會致使工程存在安全隱患，或者導(dǎo)致財力物力的浪費。

應(yīng)當(dāng)注意，各種降阻方法都有其應(yīng)用的特定條件，針對不同地區(qū)、不同條件采用不同的方法才能有效地降低接地電阻。在高土壤電阻率地區(qū)，設(shè)計發(fā)變電站接地裝置時，其接地電阻很難滿足要求，特別是面積比較小的發(fā)變電站，采用長垂直接地電極來降低其接地電阻已被越來越多的工程設(shè)計人員所采用。清華大學(xué)、武漢大學(xué)、華中科技大學(xué)、西南交通大學(xué)、長沙理工大學(xué)、廣西大學(xué)、重慶大學(xué)以及很多降阻公司依托具體工程，開展了研究工作。另外各種方法也不是孤立的，在使用過程中必須相互配合，以獲得明顯的降阻效果。

泄放雷電流、保證雷擊時設(shè)備和人身的安全是接地裝置的重要作用之一。由于雷擊而引起的事故日益增多，雷電成為影響電力系統(tǒng)安全運行的重要因素。國內(nèi)外的運行經(jīng)驗和理論分析表明，有效改善接地網(wǎng)性能是提高雷擊保護效果的有效措施。針對這一問題，國內(nèi)外從土壤放電特性、接地裝置沖擊特性等方面開展了一系列研究，有力的指導(dǎo)了防雷接地設(shè)計。

1)接地裝置附近土壤的雷擊放電模型

迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)表了很多關(guān)于接地裝置沖擊特性的研究論文。大部分沖擊試驗的結(jié)果都是在時域中直接進行分析的，得到的結(jié)論也都是對時域而言。

限于試驗場地和工作量，一些學(xué)者在高壓實驗室中進行了模擬接地體的沖擊試驗。這類試驗方法是利用相似原理，將接地體的尺寸、沖擊電流波頭等物理量進行了相應(yīng)的尺度變換，從而可以在實驗室中使用較小的電極來模擬實際的接地體進行沖擊試驗。在實驗室中，利用模擬試驗，可以比較容易地改變一些參數(shù)，如電極類型、土壤電阻率、埋深等，得到這些參數(shù)影響接地體沖擊特性的規(guī)律。前蘇聯(lián)的一些學(xué)者在20世紀70年代應(yīng)用相似理論計算了集中接地體的沖擊特性。國外還有一些學(xué)者通過模擬試驗的方法總結(jié)出了一些經(jīng)驗公式和用于估計接地體沖擊特性。隨著沖擊裝備制造水平的提高，國內(nèi)開始開展現(xiàn)場的真型沖擊實驗研究，目前該方面研究還處在初步階段。

2)接地裝置雷電特性仿真計算

接地系統(tǒng)除了要確保工頻短路時的安全性外，還要確保雷電等作用時的暫態(tài)安全性。目前對接地系統(tǒng)暫態(tài)性能的仿真主要有以下幾種方法：電路理論和傳輸線理論、電磁場理論。

基于電路和傳輸線理論的方法，是由電阻-電感-電容-電導(dǎo)組成的兀型等值電路來模擬計算接地導(dǎo)體暫態(tài)特性的一種直接的、有效的方法。與其它方法相比易于執(zhí)行，在對計算資源的消耗(內(nèi)存及計算時間)及結(jié)果的精度方面都是可以接受的。但這些方法都沒有考慮土壤在沖擊電流作用下的電擊穿現(xiàn)象。隨著土壤擊穿效應(yīng)逐漸被廣大學(xué)者所重視，地網(wǎng)導(dǎo)體參數(shù)的時變特性需要體現(xiàn)到暫態(tài)仿真的算法之中。

1)在接地電阻測量技術(shù)方面

接地電阻是接地裝置相對于無窮遠電位與流入大地電流的比值。實際測量中電壓極不可能設(shè)在真正的無窮遠處，而電流極的存在又會使地中的電流場發(fā)生畸變從而影響到地面的電位分布，所以接地電阻的測量會存在誤差。圍繞著如何盡可能有效地減小測量誤差、測得盡量真實的接地電阻值，國內(nèi)外電力工作者提出了各種各樣的測量方法和測量儀器。傳統(tǒng)測量接地電阻的方法有兩點法、三點法、電位降法、四極法等。目前我國測量接地電阻常用的方法是IEEE標(biāo)準(zhǔn)推薦采用的電位降法。由此派生出的0.618法和30度夾角法更為常用。

傳統(tǒng)的0.618法和30度夾角法沒有考慮土壤不均勻的情況。土壤不均勻時，基于均勻土壤得出的補償法的結(jié)論不再適用，應(yīng)當(dāng)改變電壓極位置。IEEE Std.81-1983中推薦的電位降法，將電壓極位置在待測地網(wǎng)與電流極之間改變，做出視接地電阻曲線，找出曲線平坦段對應(yīng)的視接地電阻即為地網(wǎng)的實際接地電阻。采用這種方法進行測量工作量很大。為了滿足測量精度的要求，測量引線需要很長，實際操作中將消耗大量人力物力。針對以上問題，中國電科院、清華大學(xué)、陜西電科院、華北電力大學(xué)等積極研究接地電阻的短距離引線測試技術(shù)，并且通過理論分析、計算仿真以及現(xiàn)場實測證明了電流引線最短到2D下這種方法的可行性。

在接地電阻測試時，由于存在線路地線分流的情況。我國通過仿真與測試，提出了分流系數(shù)的測量方法，并開發(fā)了測試設(shè)備。

2)在接地網(wǎng)腐蝕診斷方面

構(gòu)成接地網(wǎng)的導(dǎo)體埋在地下，常因施工時焊接不良及漏焊、土壤的腐蝕、接地短路電流電動力作用等原因，導(dǎo)致接地網(wǎng)導(dǎo)體及接地引線的腐蝕，甚至斷裂，使接地網(wǎng)的電氣連接性能變壞、接地電阻增高。接地網(wǎng)腐蝕已構(gòu)成影響電力系統(tǒng)安全運行的重要因素。

現(xiàn)在了解接地網(wǎng)腐蝕及斷點的常用方法就是停電抽樣開挖，即過一定年數(shù)后，根據(jù)地區(qū)的土壤腐蝕率，經(jīng)驗地估計接地網(wǎng)導(dǎo)體電阻腐蝕程度，然后抽樣挖開檢查。這種方法帶有盲目性、工作量大、速度慢，并且還受現(xiàn)場運行條件的限制，不能準(zhǔn)確的判斷斷點和腐蝕程度。同時，發(fā)變電站承擔(dān)著國民生產(chǎn)和人民生活的巨大任務(wù)，每一次停電都不可避免地要帶來許多經(jīng)濟損失，這樣帶來了實際操作上的困難。另外的方法就是通過測量接地電阻來分析接地網(wǎng)的腐蝕情況。這種方法在原理上存在問題。當(dāng)接地網(wǎng)腐蝕或存在斷點時，接地網(wǎng)的接地電阻基本上沒有變化。即使接地網(wǎng)由于嚴重腐蝕導(dǎo)致接地網(wǎng)的解裂，由于兩部分接地網(wǎng)間的互電阻的作用，解裂后測量得到的接地電阻仍不會有較大的變化。另外接地電阻隨土壤電阻率的季節(jié)變化、測量方法、測量方位的變化而有較大的變化，即測量得到的接地電阻變化不是由于接地網(wǎng)腐蝕及斷裂引起的。從另一方面來說，即使接地網(wǎng)的接地電阻能反映接地網(wǎng)的腐蝕情況，但也沒法準(zhǔn)確定位故障點。只好人工抽樣開挖檢查，或者大范圍開挖檢查，造成了成本昂貴、檢測工作量大等弊端。

查找接地網(wǎng)的斷點及嚴重腐蝕段已成為電力部門一項重大反事故措施。電力系統(tǒng)迫切需要找到一種簡單、準(zhǔn)確、不受現(xiàn)場運行條件的限制，實現(xiàn)在不停電和不開挖的情況下，對接地網(wǎng)的故障進行診斷的方法。清華大學(xué)和重慶大學(xué)基于接地點之間的導(dǎo)通性，開展了接地網(wǎng)腐蝕診斷方面的研究工作。隨后陜西省電力科學(xué)研究院、武漢大學(xué)、廣東電科院等也開展了研究。華北電力大學(xué)等通過接地體周圍的磁場，研究接地體的導(dǎo)通情況，進一步推算接地體的腐蝕。

存在的問題

我國已經(jīng)在接地安全指標(biāo)、仿真分析、降阻措施、測試和評估等方面開展了全面的研究，并且初步取得了豐碩成果，一些技術(shù)和理念已經(jīng)成功用于解決工程實際難題，為接地技術(shù)的進一步研究打下的深厚的基礎(chǔ)。但是由于接地的復(fù)雜性，相關(guān)技術(shù)仍然存在較多問題。

雖然對于接觸電位差和跨步電位差限制指標(biāo)規(guī)定已經(jīng)比較明確，但對于地電位升的安全限制仍然缺乏深入研究。例如，雖然前面分析認為變電站內(nèi)10 kV或35 kV供電系統(tǒng)避雷器最易受到地電位升的影響，但此時10 kV或35 kV避雷器的耐受能力如何、動作電壓是多少，仍然需要深入研究，尤其是考慮外部從10 kV或35 kV電源和線路到站內(nèi)配電裝置的整體下，加在10 kV或35 kV避雷器的電壓值仍需要更細致的計算分析。此外，是否還有其他更易受到地電位升影響的設(shè)備沒有考慮到，其承受的電壓和耐受的能力等仍然需要仔細的論證。

雖然已經(jīng)可以分析分層土壤下復(fù)雜接地體的接地性能，但由于所處環(huán)境的復(fù)雜性，所分析的情況仍然存在簡化。接地仿真分析存在如下問題：

1)土壤模型主要為分層模型，實際超、特高壓變電站、發(fā)電廠等土壤結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，很多為分區(qū)域分層的情況，因此目前土壤模型與實際還存在一定差距。

2)目前的接地計算僅考慮一個電流入地點的情況，而實際中由于高低壓側(cè)線路地線的分流、變壓器的接地等，入地電流是通過多點流過接地網(wǎng)的，這樣接地網(wǎng)上的電位差、熱穩(wěn)定校核等應(yīng)當(dāng)考慮實際流過的電流，對于大型接地網(wǎng)，這一影響可能會很大。

3)接地網(wǎng)并不是獨立的，而是通過電纜接地、電纜溝、龍門架等地上部分形成了一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，目前的接地計算沒有考慮這些影響，尤其是其與二次電纜之間的影響，值得深入研究。

4)對于大型接地裝置，故障電流分布會受到接地點之間地電位差的影響。目前入地電流計算將變電站的所有接地點視為同一個點，即接地網(wǎng)視為等電位，這在小規(guī)模銅接地網(wǎng)中沒有問題，但對于大型鋼接地網(wǎng)，可能會存在較大誤差。

雖然接地系統(tǒng)仿真軟件已經(jīng)可以分析很多降阻措施的效果，然而，隨著接地模塊、離子棒、深水井接地、爆破接地極等新型降阻技術(shù)不斷出現(xiàn)，這些降阻措施如何在仿真軟件中等效，如何通過接地系統(tǒng)仿真軟件合理評估這些降阻技術(shù)的效果，以便科學(xué)指導(dǎo)降阻工程，成為擺在國內(nèi)外接地技術(shù)研究人員面前的重要問題。目前的國內(nèi)外研究中，均沒有合適的分析評估模型，需要從機理、實驗驗證、理論建模等多方面開展深入研究工作。

同時以上接地降阻裝置隨土壤溫濕度變化、大電流沖擊下的穩(wěn)定性、長效性等仍然缺乏有效的驗證，也缺少相關(guān)檢測手段，是需要進一步深入研究的內(nèi)容。

目前，針對接地裝置雷電沖擊特性研究存在以下問題：

1)縮尺模型下的實驗多，真型尺寸下的實驗少。由于土壤放電的非線性，縮尺模型結(jié)果與真型尺寸下結(jié)果的等效性還有待驗證。

2)沖擊下的接地測量方法有待深入研究。由于沖擊發(fā)生器成本高、使用不方便，并且為了保證波形完好引線不能過長。因此回流極對接地裝置電流分布及周圍電位分布影響較大，如何既保證接地裝置電流分布與實際接近，又保證測量波形符合要求，仍然是需要解決的問題。

3)對桿塔接地裝置沖擊特性的研究多，對接地網(wǎng)的沖擊特性研究少。目前的研究重點集中在接地網(wǎng)的工頻特性上，沒有深入研究接地網(wǎng)的暫態(tài)特性。國外IEEE標(biāo)準(zhǔn)也僅考慮了短路電流的暫態(tài)影響，而沒有明確雷擊的影響。在實際設(shè)計、施工和運行實踐中造成比較大的混亂。由于雷擊變電站時電流大、頻率高，接地網(wǎng)上的電位差更加明顯，導(dǎo)致接地網(wǎng)本身局部電位差和接地網(wǎng)電位異常升高。

4)雖然已經(jīng)開始研究雷擊接地網(wǎng)造成的地電位不平衡，但在雷擊接地網(wǎng)狀態(tài)下地網(wǎng)暫態(tài)電位升高對二次系統(tǒng)的安全的影響研究沒有涉及，這方面的系統(tǒng)性研究總體上還是一片空白，在目前一次設(shè)備的裝備制造水平和設(shè)備絕緣質(zhì)量已較以前上了一個臺階的形勢下，雷擊對二次系統(tǒng)或二次設(shè)備絕緣和電磁干擾的影響顯得尤為突出，迫切需要就雷擊下地網(wǎng)導(dǎo)體電位升高和場區(qū)壓差對二次設(shè)備和二次回路的影響進行實驗和理論分析研究，給出綜合考慮工頻和雷擊下地網(wǎng)導(dǎo)體電位升高和場區(qū)壓差取值的依據(jù)，指導(dǎo)接地網(wǎng)工程設(shè)計和運行維護。

5)由于智能變電站剛剛出現(xiàn)，到目前為止，國內(nèi)外還沒有開展變電站地電位升高對智能設(shè)備的危害研究。隨著雷擊等暫態(tài)事故的頻發(fā)，需要深入研究雷擊下暫態(tài)地電位差對智能設(shè)備的影響。

6)我國的接地裝置大量使用鋼材，最近也開始使用銅覆鋼等新型接地材料，而國外普遍使用純銅作為接地材料。接地材料的差異使得我國雷擊下地電位差的問題更加突出，迫切需要開展相關(guān)研究工作。

7)缺少二次系統(tǒng)雷擊防護措施的研究。目前，對傳統(tǒng)二次設(shè)備的抗干擾措施研究已經(jīng)取得了大量研究成果，但雷擊下的防護需要具體問題具體分析。設(shè)備的工作方式、安裝位置差異較大，很難將傳統(tǒng)二次設(shè)備的抗干擾措施用于雷擊防護。需要深入研究雷擊下二次電纜端口特征，以便提出合理可行的防護措施。

目前對接地系統(tǒng)安全性評估主要針對接地電阻、接觸電位差、跨步電位差、接地體導(dǎo)通性等工頻特性以及接地體的腐蝕問題展開。

隨著接地網(wǎng)面積增加，接地網(wǎng)各處對應(yīng)的接地阻抗、跨步電位差、接觸電位差等差異較大，因此需要從多個空間維度對接地網(wǎng)各參數(shù)進行測量；隨著接地網(wǎng)上通過電流的多樣化，電流的頻率成分也呈現(xiàn)多樣化，從頻率較低的直流、工頻，到頻率逐步增加的開關(guān)操作、雷擊、 VFTO等，因此需要從多個頻率維度對接地網(wǎng)各參數(shù)進行測量；由于接地網(wǎng)一方面時刻可能經(jīng)受雷電、操作、VFTO、短路等短時過程的考驗，另一方面在長期運行中也會受到腐蝕、不平衡電流等的影響，因此也需要從多個時間維度對接地網(wǎng)相應(yīng)參數(shù)進行測量。最后接地網(wǎng)的評估還涉及到電、熱、化學(xué)等多種物理量。可見，對接地網(wǎng)安全特性的檢測和評價應(yīng)當(dāng)是多維度、全方位的，現(xiàn)有規(guī)程僅從工頻參數(shù)來對接地裝置進行評估已經(jīng)不滿足電網(wǎng)發(fā)展的需求。

接地技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

在電力系統(tǒng)中，比較常用的接地技術(shù)有以下三種：即工作接地、保護接地以及防需接地，下面重點對這幾種接地技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用以及接地網(wǎng)施工中的注意事項進行分析。

工作接地就是將電力系統(tǒng)的某個點進行接地，主要目的是滿足電力系統(tǒng)的運行要求，通過這種接地方式，能夠為電路的正常運行提供一個基準(zhǔn)電位，其值通常設(shè)置為零，該電位即可設(shè)為電路中的某一個點，也可設(shè)為電路系統(tǒng)中的某一段，當(dāng)其與大地相連接時，可將其視作為相對的零電位。在電力系統(tǒng)中應(yīng)用工作接地后，能夠使電網(wǎng)的對地電位更加穩(wěn)定，有利于對地絕緣的降低，如變壓器的中性點接地等。工作接地的主要功能是確保電力系統(tǒng)在各種不同的工況下，如正常、故障等，都能夠有一個相對適宜的運行條件，為繼電保護等裝置的可靠運行提供保障。根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求，工作接地的電阻值不宜超過4歐姆，這一點應(yīng)當(dāng)在具體應(yīng)用時注意，以免影響工作接地作用的發(fā)揮。

保護接地能夠防止電力系統(tǒng)中的各種電氣設(shè)備原本不帶電的金屬部分在發(fā)生故障帶電后對人體造成傷害的情況發(fā)生，這種接地技術(shù)實質(zhì)上是一種保護方式。電力系統(tǒng)中有很多的電氣設(shè)備和裝置，由于它們都處于長期不間斷地運轉(zhuǎn)狀態(tài)，故此，絕緣極有可能出現(xiàn)老化、磨損等情況，這樣一來，電氣設(shè)備或裝置上原本不帶電的部分便會帶電，原本帶有低壓電的部分會帶上高壓電，由此除了會引起電氣設(shè)備損壞之外，若是人體觸碰還會導(dǎo)致觸電傷亡的安全事故。

為防比此類意外情況的發(fā)生，必須在電力系統(tǒng)中應(yīng)用保護接地技術(shù)，以此作為一種有效的安全防護措施。對于中性點不接地的電力系統(tǒng)而言，如果人體意外接觸到帶電的設(shè)備金屬外殼時，電流便會經(jīng)由人體的電阻、接地電阻以及導(dǎo)線的對地電容構(gòu)成一條同路，由于人體本身的電阻與接地電阻之間是一種并聯(lián)的連接方式，因此，接地電阻的阻值越小，流入到人體中的電流也就越小，對人體造成的傷害就越輕微，由此可知，若是可以將接地電阻的阻值限制在某個特定的范圍之內(nèi)，使流入人體的電流小于安全電流，便可確保人員的安全。

（1）在接地電流相對較大的系統(tǒng)中

若是出現(xiàn)單相接地的現(xiàn)象，則會觸發(fā)系統(tǒng)中保護裝置動作，其接地裝置的電阻值應(yīng)當(dāng)不超過0.5歐姆；在接地電流比較小的系統(tǒng)當(dāng)中，如果發(fā)生單相接地的情況，通常系統(tǒng)中的保護裝置不會自行動作，接地裝置出現(xiàn)電壓的時間會隨之延長，操作人員接觸到的可能性會有所增大，此類系統(tǒng)中的接地體電壓應(yīng)當(dāng)不超過250V。接地電阻的阻值不得超過10歐姆。

（2）在電源中性點直接接地的低壓電網(wǎng)中

為防比接地與保護接零混用的情況發(fā)生，必須采用保護接地的方式，同時，在正常運行情況下不帶電但由于故障可能會導(dǎo)致帶電的金屬部分，均必須進行保護接地，如變壓器、電動機、照明設(shè)備的外殼及底座、配線鋼管等等。

（3）在低壓系統(tǒng)中

保護接地的電阻值應(yīng)當(dāng)不超過4歐姆；容量在100kV以內(nèi)的配變，因其布線相對較短，故此保護接地電阻的阻值可以設(shè)定為10歐姆；對于土壤電阻率比較高的地區(qū)，保護接地電阻的阻值應(yīng)當(dāng)不超過3歐姆。

雷電是自然界的一種現(xiàn)象，雷電流會對電力系統(tǒng)中的設(shè)備、裝置造成危害，因此，在電力系統(tǒng)中，需要采用合理可行的防雷接地技術(shù)，將雷電流送入到大地當(dāng)中。相關(guān)研究結(jié)果表明，接地電阻的阻值越小，散流的速度就越快，遭受雷擊的物體高電位保持的時間也就相應(yīng)越短，危險性越低。鑒于此，對于計算機場地內(nèi)的接地電阻器阻值應(yīng)當(dāng)不超過4歐姆，并以共同接地的方式，將防需接地與電氣安全接地和交直流接地統(tǒng)一為一個接地裝置

(1)以水平方式進行布設(shè)的接地網(wǎng)的埋設(shè)深度應(yīng)當(dāng)控制在0.8m，垂直接地極打入到地下后應(yīng)當(dāng)預(yù)留出100mm左右的高度，這樣便于和水平接地網(wǎng)進行連接。

(2)對接地網(wǎng)進行焊接時，應(yīng)當(dāng)嚴格按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及施工圖紙的要求進行操作，以此來確保焊接質(zhì)量，這是保證接地網(wǎng)運行安全的關(guān)鍵。

(3)接地引下線與電纜溝接地扁鋼均應(yīng)當(dāng)涂刷環(huán)氧瀝青漆，對土體進行同填的過程中，應(yīng)當(dāng)將好土埋在接地網(wǎng)的鋼材上，土中不得摻有雜物，當(dāng)填土厚度達到200mm時，進行一次夯實，以此來確保接地網(wǎng)與土壤之間的緊密結(jié)合。

發(fā)展趨勢展望

隨著電網(wǎng)向著高電壓、高智能、高可靠性的方向發(fā)展，對接地裝置性能的要求越來越高，接地技術(shù)的發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)。由于接地技術(shù)包含的內(nèi)容很多，這里不一一列舉，其中如下方面值得重點研究：

1)復(fù)雜地質(zhì)條件下的接地仿真分析技術(shù)。隨著接地裝置所處地區(qū)的地質(zhì)條件日益復(fù)雜，對接地裝置的仿真技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。尤其是對于水電站、直流接地極等特殊接地系統(tǒng)，相關(guān)研究尤為迫切。

2)接地裝置的沖擊特性及其與其他電力系統(tǒng)設(shè)備的交互影響。如前所述，目前針對工頻接地特性的研究已經(jīng)相對比較全面。如果工頻下地電位升可以進一步提高，接地降阻、均壓優(yōu)化等都不再成為難題。然而，沖擊下由于接地體的導(dǎo)通性變差，其與接于其上的其他系統(tǒng)和設(shè)備之間的交互影響目前仍然不是十分清楚。隨著智能化設(shè)備、緊湊化變電站的大量應(yīng)用，設(shè)備的電磁敏感性變強，干擾源的頻率越來越高，迫切需要開展相關(guān)研究。例如，研究接地裝置與其上二次設(shè)備在沖擊下的相互影響，并進一步研究二次系統(tǒng)的接地方式和防護措施，提出在沖擊下對接地裝置性能的要求。再如，考慮桿塔時域沖擊特性的線路防雷研究，并且可以將該研究推廣到鐵路、通信等相關(guān)領(lǐng)域。

3)接地裝置與其他行業(yè)設(shè)施之間的相互影響。目前利用大地的設(shè)施眾多，鐵道、管道、大地監(jiān)測等均會受到接地裝置產(chǎn)生的地電位分布的影響。同時，多個行業(yè)的設(shè)施共用接地裝置也已經(jīng)大量存在，例如電信門的大數(shù)據(jù)中心由于用電量巨大，會與變電站共地。因此，迫切需要開展相關(guān)研究。

4)接地系統(tǒng)多維度評估技術(shù)。有必要針對接地裝置的直流特性、工頻特性、沖擊特性、高頻特性、腐蝕性和土壤環(huán)境開展綜合研究，建立接地網(wǎng)的多維度檢測方法及檢測體系，并基于此，研制出適于現(xiàn)場應(yīng)用的便攜式接地裝置多功能沖擊阻抗測試系統(tǒng)與接地裝置高頻特性測試儀，從而實現(xiàn)對接地裝置的全面考核和綜合判斷。

5)接地材料及防腐技術(shù)研究。由于地質(zhì)條件日益復(fù)雜，接地體的腐蝕問題日益突出，接地裝置運行的人力、物力成本越來越高，接地網(wǎng)腐蝕問題也成了電力系統(tǒng)非常棘手的問題。研究新型接地網(wǎng)材料和防腐技術(shù)已成為電力系統(tǒng)的迫切需求。雖然目前接地新材料的穩(wěn)定性、可靠性等還有待檢驗，但隨著我國經(jīng)濟實力的增強以及新材料新工藝的不斷出現(xiàn)，研究接地網(wǎng)新材料已成為可能。