一、变电站接地概述 接地网作为变电所交直流设备接地及防雷保护接地，对系统的安全运行起着重要的作用。由于接地网作为隐性工程容易被人忽视，往往只注意最后的接地电阻的测量
一、变电站接地概述
接地网作为变电所交直流设备接地及防雷保护接地，对系统的安全运行起着重要的作用。由于接地网作为隐性工程容易被人忽视，往往只注意最后的接地电阻的测量结果。随着电力系统电压等级的升高及容量的增加，接地不良引起的事故扩大问题屡有发生。因此，接地问题越来越受到重视。变电所地网因其在安全中的重要地位，一次性建设、维护困难等特点在工程建设中受到重视。另外，在设计及施工时也不易控制，这也是工程建设中的难点之一。因此，为保证电力系统的安全运行，降低接地工程造价，应采用最经济、合理的接地网设计思路。
二、接地电阻降阻方法
为了达到降低接地网接地电阻之目的，首先需要从理论上研究降低接地电阻的方法。由公式R=ρε/C可以看出，降低接地电阻有以下两种途径，一是增大接地体几何尺寸，以增大接地体的电容C；二是改善地质电学性质，减小地的电阻率ρ和介电系数ε。
接地网是在接地系统的基础，由接地环（网）、接地极（体）和引下线组成，以往常有种误解，把接地环作为接地的主体，很少使用接地体，在接地要求不高或地质条件相当优越的情况下，接地环也能够起到接地的作用，但是通常的情况下，这是不可行的，接地环可以起到辅助接地地作用，主导作用是用接地体来完成的。决定接地电阻大小的因素很多，下面先来分析一下计算传统地网接地电阻的公式（仅以接地环接地时）。
式中：
р（Ω.m）-----土壤电阻率；
d(m)------------钢材等效直径；
S（m2）---------地网面积；
H(m)------------埋设深度；
L(m)------------接地极长度(m) ；
A---------------形状系数。
式（1）表明，传统的接地方式在土壤电阻率已经确定的情况下，要想达到设计要求的电阻必须有足够的接地面积，要降低接地电阻只有扩大接地面积，每扩大4倍的接地面积，接地电阻会降低一倍。
式（2）、（3）表明，在上述的接地网中，要降低接地电阻的另一个方法是加大接地材料的尺寸，但是耗材太大而且效果并不理想。以下降低接地电阻的一些常用的合理的方法。
1、增大接地网面积
由上面接地电阻的物理概念，大地电阻率ρ和介电系数ε不容易改变，而接地电阻R与接地网电容C成反比：从理论上分析，接地网电容C主要由它的面积尺寸决定，与面积成正比，所以接地网面积与接地电阻成反比。减小接地网接地电阻，增大接地网面积是可行途径。一个有多根水平接地体组成的接地网可以近似地看成一块孤立的平板，借用平板接地体接地电阻计算公式，当平板面积增大一倍时，接地电阻减小29.3%。
2、增加垂直接地体
依据电容概念，增加垂直接地体可以增大接地网电容。当增加的垂直接地体长度和接地网长、宽尺寸可比拟时，接地网由原来的近似于平板接地体趋近于一个半球接地体，电容会有较大增加，接地电阻会有较大减小。由埋深为零半径为ｒ的圆盘和半径为ｒ的半球电容之比４εr／２πεr可得，接地电阻将减小３６％。但是对于大型接地网，其电容主要是由它的面积尺寸决定，附加于接地网上有限长度（２～３ｍ）的垂直接地体，不足以改变决定电容大小的几何尺寸，因而电容增加不大，亦接地电阻减小不多。所以大型接地网不应加以增加垂直接地体作为减小接地电阻的主要方法，垂直接地体仅作为加强集中接地散泄雷电流之用。唯一有效的途径是采用深井接地。
3、人工改善地电阻率
在高电阻率地区采用人工改善地电阻率的方法，对减小接地电阻具有一定效果。例如，对于一个半径为ｒ的半圆球接地体而言，其接地电阻的50%集中在自接地体表面至距球心2ｒ的半圆球内，如果将ｒ至2ｒ间的土壤电阻率降低，可使接地电阻大大减小。
设原地电阻率为ρ2，将ｒ至2ｒ范围内的电阻率为ρ2的土壤用低电阻率的材料ρ1置换，则半圆球接地体的接地电阻为：ＲX=(ρ1+ρ2)/4лr
置换前的接地电阻RX为： RX=ρ2/2πr
R与RX之比为： R/RX=(ρ1+ρ2)/2ρ2
当ρ1<<ρ2，上式改写为： R=RX/2=ρ2/4πr
故接地电阻减小的百分数为５０%。另外由上式可以看出，用低电阻率的材料置换半球附近高电阻率的土壤，相当于将半球接地体的半径由Ｒ增大到２Ｒ，由于接地体几何尺寸的增加，而使接地电阻减小。
4、深埋接地体
在地电阻率随地层深度增加而减小较快的地方，可以采用深埋接地体的方法减小接地电阻。地的电阻率随深度而减小的规律，往往在达到一定深度后，地电阻率会突然减小很多。因此利用大地性质，深埋接地体后，使接地体深入到地电阻率低的地层中，通过小的地电阻率来达到减小接地电阻的目的。
对于地电阻率随地层深度的增加而减小不大的地方，由于地电阻率变化不大，增加接地网的埋深只是增大接地网的电容。利用电容的概念，电容具有储藏电场能量的本领，它所储藏的能量，不是储藏在极板上，而是储藏在整个介电质中，即整个电厂中：介电质中的能量密度，既与介电系数有关，又与电场的分布有关，因此，比起接地网的几何尺寸小得多的有限埋深，所增加的储藏能量的介质空间极为有限；在有限空间中的能量密度又小，储藏的总能量也就增加不多，即电容增加不大，所以对减小接地电阻作用不大，不宜采用深埋接地体的方法减小接地电阻。深埋接地体和敷设水下接地网可以大大降低直流电阻，但对降低交流电阻作用不大，故国军标不推荐使用该法。但结合基地航天测试实际情况，主要是低频信号，此法简单，效果明显，可以使用。
5、敷设水下接地网
在有适宜水源的地方敷设水下接地网，由于水的电阻率比地电阻率小的多，可以取得比较明显的减小接地电阻的效果。而且敷设水下接地网施工比较简便，接地电阻比较稳定，运行可靠，但应注意水下接地网距接地对象的距离一般不大于１０００ｍ。
6、利用自然接地体
充分利用混凝土结构物中的钢筋骨架、金属结购物，以及上下水金属管道等自然接地体，是减小接地电阻的有效措施，而且还可以起引流、分流、均压作用，并使专门敷设的接地带的连接作用得到加强。
三、变电站接地网设计应注意的问题
1、接地电阻
《电力设备接地设计技术规程》(SDJ8—79)中对接地电阻值有具体的规定，一般不大于0.5Ω。在高土壤电阻率地区，当接地装置要求做到规定的接地电阻在技术经济上极不合理时，大接地短路电流系统接地电阻允许达到5Ω，但应采取措施，如防止高电位外引采取的电位隔离措施，验算接触电势，跨步电压等。根据规程规定，主要是以发生接地故障时，接地电位的升高不超过2000V进行控制，其次以接地电阻不大于0.5Ω和5Ω进行要求。因此，人们普遍认为，110kV及以上变电所中，接地电阻值小于0.5Ω即认为合格，大于0.5Ω就是不合格，不管短路电流有多大都不必采取措施。这是不合理的。
接地的实质是控制变电所发生接地短路时，故障点地电位的升高，因为接地主要是为了设备及人身的安全，起作用的是电位而不是电阻，接地电阻是衡量地网合格的一个重要参数，但不是唯一的参数。
随着电力系统容量的不断增大，一般情况下单相短路电流值较大。在有效接地系统中单相接地时的短路电流一般都超过4kA，而青海地区变电所大部分接地电阻又很难做到0.5Ω。因此，从安全运行的角度出发，不管在什么情况下，都应该验算地网的接触电势和跨步电压，必要时应采取防止高电位外引的隔离措施。
接地短路电流分析当系统发生接地故障时，产生的接地短路电流经三种途径流入系统接地中性点。(1)经架空地线—杆塔系统(2)经设备接地引下线，地网流入本站内变压器中性点(3)经地网入地后通过大地流回系统中性点。而对地网接地电阻起决定性作用的只是入地短路电流。所以，正确地考虑和计算各部分短路电流值，对合理地设计地网有着很大的影响。
架空地线系统的影响对于有效接地系统110kV以上变电所，线路架空地线都直接与变电站内出线架构相连。当发生接地短路时，很大一部分短路电流经架空地线系统分流，因此，在计算时，应考虑该部分分流作用，发生接地故障时，总的短路电流是一定的，只要增大架空地线的分流电流，就可减小入地短路电流，因此，降低架空地线的阻抗也是安全接地设计重要的一个分支。架空地线采用良导体，正确利用架空地线系统分流，将使地网的设计条件更为有利。
入地短路电流从上述分析可知，入地短路电流是总的接地短路电流减去架空地线的分流，再减去流经变压器中性点的电流(也就是流经变电器的零序电流)。如此计算，入地短路电流值相对比较小。由于接地电阻允许值R≤2000I，所以接地电阻相应的允许值就比较大，设计也容易满足。另外，对于一个给定的地网，其接地电阻也基本确定:从R≈0.5ρ/S可知，对实际的接地网面积减少有很大影响。
2、接地装置的设计
土壤电阻率的测量工程土壤电阻率的测量是工程接地设计重要的第一手资料，由于受到测量设备、方法等条件的限制，土壤电阻率的测量往往不够准确。我省地处青藏高原东部，地质结构复杂，变电所占地虽然不大，但多为不均匀地质结构。现在的实测，往往只取3～4个测点，过于简单。建议提高测量精度，设计采用《设计手册》中提供的计算平均电阻率的方法，使设计误差值减小。
接地网布置根据地网接地电阻的估算公式:R≈0.5ρ/S式中：ρ——土壤电阻率(Ω•m)；S—接地网面积(m2)；R—地网接地电阻(Ω)；地网面积一旦确定，其接地电阻也就基本一定，因此，在地网布置设计时，应充分利用变电所的全部可利用面积，如果地网面积不增加，其接地电阻是很难减小的。
垂直接地极的作用在110kV变电所中，一般采用水平接地线为主，带有垂直接地极的复合型地网。根据R=0.5ρ/S可知，接地网的接地电阻与垂直接地极的关系不大。理论分析和试验证明，面积为30×30m2—100×100m2的水平地网中附加Φ40mm×2.5m的垂直接地极若干，其接地电阻仅下降2.8～8%。但是，垂直接地极对冲击散流作用较好，因此，在独立避雷针、避雷线、避雷器的引下线处应敷设垂直接地极，以加强集中接地和散泄雷电流。例如，在330kV阿兰变电所的接地设计中，通过计算，接地网的设计全部由水平接地体构成，只在避雷针，避雷器附近敷设少量垂直地极，实际运行证明效果是较好的。
地网均压网的设计根据设计规程规定，当包括地网外围4根接地线在内的均压带总根数在18根以下时，宜采用长孔接地网。由于110kV变电所占地面积一般不超过100×100m2，考虑均压线间屏蔽作用，均压线总根数一般为8～12根左右，故根据规程规定，一般采用长孔方式布置，但存在以下几个方面的问题。
1、方孔地网纵、横向均压带相互交错，因此地网的分流效果优于长孔地网，均压效果比长孔地网好且可靠性。2、长孔地网均压线与主网连接薄弱，均压线距离较长，发生接地故障时，沿均压线电压降较大，易造成二次控制电缆和设备损坏。当某一条均压线断开时，均压带的分流作用明显降低，而方孔地网的均压带纵横交错，当某条均压线断开时，对地网的分流效果影响不大。因此，建议在变电所地网设计时，采用正方孔均压网设计，以提高接地安全性。
3、接地网的腐蚀
接地网的腐蚀状况在八十年代及以前变电所的设计中，很少或根本就没有考虑地网的腐蚀问题。由于地网腐蚀引起的安全事故屡有发生，如接地引下线断开使高压运行设备处于无接地状态，地下主网腐蚀断裂使地网分割成几块，发生接地时使二次设备烧坏等。另外，由于地网属隐蔽工程，埋于地下后不易检查、修复等，因此，从设计的角度应加大对地网腐蚀的调查研究，以便有利于系统的安全运行。一般变电所的设计年限按25～30年考虑，但地网的实际安全寿命只有10～15年左右，与变电所的设计年限极不配套。加之，由于系统容量的增加，短路水平的提高，腐蚀后的地网更不能满足安全运行的要求。
接地网的防腐设计接地网的材料一般为扁钢和圆钢，其腐蚀状态应根据变电所当地的腐蚀参数进行计算。但一般情况下其腐蚀参数很难测定。因此，在工程设计没有实际数据时按扁钢腐蚀速度：0.1 -0.2 mm/a；圆钢腐蚀速度：0.065 -0.07 mm/a；热镀锌扁钢腐蚀速度：0.065 -0.07 mm/a计算。在计算时，还应考虑不同敷设部位腐蚀情况不同的影响，可参考以下数据。采用扁钢接地网的年腐蚀率，当接地网部位为水平接地体时年腐蚀速度：0.1 -0.12 mm/a；为设备引下线时年腐蚀速度：0.2 -0.3 mm/a；为电缆沟中的接地带时年腐蚀速度：0.47 mm/a。
对于一般变电所地网的设计年限不应小于30年，对于重要枢纽变电站的地网寿命应按50年考虑。这两种情况都不大于规程规定的设计年限，但更接近于实际。关于地网材料的选用问题，常规选用扁钢和圆钢两种，相同截面的扁钢与圆钢与周围土壤介质的接触面不一致，扁钢约为50%左右，但由于其腐蚀机理不完全一致，腐蚀结果基本上一致，这已从陕西电网和青海电网地网腐蚀调查报告中已得到确认，而且规程中也提供了不同的腐蚀数据。因此，关于接地材料选用扁钢还是圆钢没有很大差别。关于防腐的设计问题，一般应考虑在设计年限内，采用热镀锌材料。
4、接触电势与跨步电压
接触电势与跨步电压是地网安全性设计的两个重要参数，新规范中指出这两参数不应超过下列数值:ut=174+0.17ρ+tu0=174+0.7ρ+t式中:Ut——最大允许接触电势(V)Uo——最大允许跨步电压(V)ρ+——人站立处地表面土壤电阻率(Ω•m)t——接地短路持续时间(s)从以上可知，新规范中ut、u0比设计规程要求的条件更苛刻，更趋于安全，但给地网的设计带来的困难也更大。对于一个给定的变电所，短路产生的最大接触电势和最大跨步电压也确定。从上式中可以看出，用提高ρ+值来提高ut、u0的允许值也是合理设计地网的一个方面。因此，ρ+是一个比较重要的数据。当变电所的接触电势、跨步电压不满足要求时，设备区可采用做绝缘操作平台，做局部均压网，道路采用砾石、碎石或沥青混凝土等高土壤电阻率路面结构来处理，不宜采用砖、方砖等材料，故地面施工应严格按照设计要求进行。
5、地网的敷设深度
规程和新规范中明确指出，接地网的埋设深度宜采用0.6m，《设计手册》中又补充到，在冻土地区宜敷设于冻土层以下，现设计中一般将地网全部埋设于冻土层以下。
地网敷设深度对最大接触系数的影响最大接触电势是地网设计中的一个重要参数，地网设计的问题之一就是如何降低地网的最大接触电势。地网的接触电势的最大接触系数Kjm与地网的埋深有如图2所示的关系。从图2可以看出，接地网的埋深由零开始增加时，其接触系数是减少的，但埋深超过一定范围后，Kjm又开始增大。这是因为地网图2 最大接触系数Kjm和埋深h的关系曲线(接地网面积A=40×40m2，接地体直径d=0.01m，网孔个数n=400个)敷设深度的不同，在网孔中心地面上产生的电场强度的变化决定的，引起网孔中心地面与地网之间产生的电位差不同。当埋深增加到一定深度后，电流趋向于地层深处流动，地面上的电流密度越来越小，因而网孔中心地面与地网之间的电位差又开始增大，因此，规程中规定的敷设深度是合理的。
敷设深度对接地电阻的影响目前所遇到的变电所一般都是处于季节性冻土地区。如按规程规定，将地网敷设在0.6m深度时，冬季将使地网处于冻土层中。由于土壤冻结后其电阻率将增大为原来的3倍以上，对地网接地电阻有一定的影响。目前采用的地网是以水平接地线为主边缘带有垂直接地极的复合型地网，冬季垂直接地极大部分伸于下层非冻结土壤中。此时土壤结构可以等效为两层电阻率不同的土壤结构。有研究表明，对于处于双层土壤介质中的垂直电极，其各部分的散流密度与周围介质的电阻率成反比，除了在电极尖端处，具有ρiJi=常数(其中Ji为处于电阻率为ρi土壤中的电极部分的散流密度)。此时，当电极有一部分进入下层土壤时，整个电极的散流电阻将主要取决于下层土壤。此时地网的接地电阻也将主要取决于地网的非冻结土壤。因此，在季节性冻土地区，采用这种带有垂直接地极的复合型地网是有很大的优点的，如果在冬季由于土壤的冻结，而对接地电阻没有很大的影响时，就没有必要把地网都埋于冻土层以下。将地网埋于冻土层以下，对地网的接地电阻来讲肯定是有利的。但是如果单纯为敷设地网开挖土层则将使工程开挖土方量大大增加，施工困难。工程造价也随之上升。规程中还规定，接地电阻应满足一年四季变化的要求，这在实际工程中很难做到，冬季土壤的冻结对接地电阻肯定有影响，但可通过其安全要求的各种因素进行综合比较，合理控制。因此，在工程设计中应合理的确定地网的埋设深度。
变电所地网的设计应结合实际情况进行，在具体工程设计中应重点考虑地网布置，敷设深度，腐蚀及热稳定校验等方面。对合格地网的概念应有全面的认识，接地电阻应按实际的流经地网入地的短路电流计算，降低接地电阻、降低接触电势和跨步电压等都是合格地网要求的主要因素。因此，在保证变电所接地的安全条件下，应综合考虑各种因素，合理地设计接地装置以便于变电所的安全运行和施工，降低工程造价。
四、材料选择与施工工艺的优化
单使用接地环要达到某个接地电阻值，接地环包围的面积Ｓ和土壤电阻率有关。我们以一个城市常见的土壤电阻率200Ω.m来分析，要做接地电阻1Ω的地网站地应为10000平方。即使，对于大型建筑物而言，本身站地很大，也最多可以建设一个这样的地网，但是对于这样大型的建筑即使是以联合接地的办法，考虑到要求独立地的设备，一个地网是远远不够的。在建筑林立的城市和地形复杂的山地要求大面积可供施工的的土质空地是不太可能的，及时在地理条件许可的地方，由于开挖量大、耗材多，费工费料工程费用高，是不可取的。所以，需要运用更好的接地材料和施工设计方法。
要达到设计接地电阻要求，克服环境条件的制约，有把握的达到良好稳定的接地效果，应从三方面入手进行施工设计。
1、因地制宜的设计方案
通常的防雷接地的接地电阻是10Ω，实际上有弱电设备的感应防雷都要求4Ω或1Ω的接地电阻。这里常常有个误区，认为作到10Ω、4Ω或1Ω的接地电阻就满足了设计要求，而没有考虑季节因数。因为，土壤电阻率是随季节变化的，规范所要求的接地电阻实际上是接地电阻的最大许可值，为了满足这个要求，地网的接地电阻要达到：
R=Rmax/ω
式中：Rmax----接地电阻最大值，就是我们说的10Ω、4Ω或1Ω的接地电阻
ω-----是季节因数，根据地区和工程性质取值，常用值为1.45
所以，我们所说的接地电阻实际是：
R=6.9Ω-------- Rmax=10Ω
R=2．75Ω------ Rmax=4Ω
R=0.65Ω------- Rmax=1Ω
这样，地网才是合乎规范要求的---在土壤电阻率最高的时候（常为冬季）也满足设计要求。
接地工程本身的特点就决定了周围环境对工程效果的决定性的影响，脱离了工程所在地的具体情况来设计接地工程是不可行的。设计的优劣取决于对当地土壤环境的诸多因数的综合考虑。土壤电阻率、土层结构、含水情况、季节因
