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关于接地网若干技术问题的意见和建议

关于接地网若干技术问题的意见和建议

摘 要 通过对地网设计和施工中存在问题的分析，按照标准和规程的要求，提出了解决问题的一些意见和建议。

关键词 接地网 电位 接地电阻 土壤电阻率

通过贯彻和学习GB/T17949·1—2000、DL/T621—1997，与以往接地网设计施工及测量方面的一些做法进行比较，在许多技术问题上还有较大的差距，存在不少误区，需要进行纠正，现说明如下：

1 地网设计
地网的关键是设计，设计参数决定了地网的基本状况，一般说来，地网工程是一项粗糙工程，不可能达到精确，但经过不少工程技术人员的努力工作和实验，得到了不少估算公式和计算公式，使地网的设计有了一定的模式，这些都体现在有关标准和规程中，但需要设计人员对这些标准和规程有全面的理解，才能正确地应用，使设计比较合理，并保证安全。

1.1 地网设计中存在的问题
目前的情况是，变电站地网设计只给一张总体布置图及其简要说明，既没有提供设计计算说明书，也不知道某些重要参数如何得到，如土壤电阻率由地质勘探部门提供，而地质部门是如何测量的，是否能反映地面下到深度为地网等效半经的土壤分层情况，设计人员并不知晓，又如规程中决定地网电阻的关键参数入地电流的取值，其中涉及到中性点分流和避雷线分流系数的取值，一些设计人员都不知如何选择计算，在这种情况下设计出来的地网电阻值，其可信度是很低的，由此而推算出来的跨步电压，接触电压，地面电位，其可信度就可想而知了。除此以外，还存在如下几个问题：
（1）总体布置图当作竣工图纸给运行单位是不妥的，因为实际施工中有不少改动，是不可能做到横平、竖直的，拐弯的增减的都存在。
（2）总体布置图只画出主干线，一些特殊设备的接地线如何连接，如电缆沟（要求一米以外有一主干线，每隔10～15米与电缆沟地线相连）主变中性点接地地点（要求有2根引下线引到不同的主干线连接）等与主干线的连接点在何处，应当在图上标示出来。
（3）总体布置图未考虑设备密集区的接地线连接，如开关、CT、刀闸都是排成一列，可往往中间无主干线，连到远处主干线，耗费材料，又增大了接地引下线的长度，影响接地效果，施工中会带来一些问题，宜临时增加1～2条主干线，而照图施工的人就不管这么多了。
（4）控制室，高压室及穿墙套管的接地网无单独的接地设计图，运行单位无从查起，不知道引入了几条主干线，不知道主干线是否穿过房子地下，以往设计和施工是围绕房子铺一圈地网，而屋内的接地则通过电缆沟引入，这就很不安全了，因为有时是先盖房子而后铺地网的，盖房子如未预埋主干线，盖好之后是不可能再铺的。
（5）防雷设施的接地也没有在图上标示，只在大概的位置画了几个垂直接地极，而实际施工时到底往哪一侧布置，还要看附近设备情况，既不能靠近路，也不能太靠近设备（特别是端子箱和电缆沟），由于没有图，施工人员往往随意布置而造成不合理，不安全。
（6）有些避雷针放在地网中间，设计人员未认真考虑对设备，对路的距离，施工时常常不能满足要求，又无好的对策，只能违背规程。
（7）变电站引外和金属管道引内接地的措施也常常未加考虑，设计上未采取任何措施和说明。
总之，只有一张总布置图是不行的，对上述这些部位应有分图，并与土建、设备基础的施工图互相衔接起来，且要求房屋基础钢筋，设备基础钢筋与地网主干线连通，以提高接地效果。

1.2 对地网设计的建议和要求
（1）关于入地短路电流的计算
按DL/T621—1997标准中的计算公式
I=（Imax—In）（1—Ke1）和I=In（1—Ke2）并取两式中较大值，式中I为入地短路电流，即通过地网进行散流的电流。
Imax为接地短路时的最大接地短路电流，由于上述公式仅适用于有效接地系统，该值可向运行方式和继电保护部门索取，也可以自己计算，一般采用单相接地时的最大方式下的接地短路电流。
In为发生最大接地短路电流时，流往变电站主变接地的中性点的短路电流，当该站运行中变压器中性点不接地时，该电流实际上不存在，上述公式可简化为I=Imax（1—Ke1）
Ke1为站内短路时，与变电站地网相连的所有避雷线的分流系数，对Ke1的取值DL/T621—1997中无说明，根据一些专家的资料中提出的意见，只有1路进线时可取0.15，2路时取0.28，3路时取0.38，4路时取0.47，5路以上时取0.5～0.58，实际上还是粗略的，因为出站后的线路走廊有的在农田中，有的在山地上，其分流效果是有较大区别的，因此，应根据实际情况做相应的增减。
Ke2为站外接地时，避雷线向两侧的分流系数，一般取0.18，这种情况也只适用于有变压器中性点接地的变电站的站外接地时，值得指出的是，一般变压器中性点只有1个时，分流系数为0.3，即站内接地时，流往主变接地点的电流只占Imax的30%，如果有2个中性点接地（如遮山变），则应在50%左右，实际变压器中性点接地时的电流还是应以继电保护部门计算和实测为准。因为这与变压器本身的阻抗有关，当然，当设计地网时，变电站的变压器还未制造出来，只好粗略地估算。
按上述取值方法，只有当站内有2个中性点接地时，站外接地时中性点入地电流才有可能大于站内短路时的入地短路电流。
取值时还应考虑至少10年的发展规划，需乘以1.2～1.5的系数。另外，有些站由于地形及地质构造的原因，散流比较困难，例如在山区，土壤电阻率不均匀，还应乘以散流系数1.25。

（2）关于土壤电阻率ρ的取值和测试方法
ρ是决定地网质量的关键参数，选站址时，就应当考虑该处的土质情况，如ρ太大，地网接地阻抗满足不了R≤2000/I的要求，就必须采取一系列措施，增加不少费用。
ρ的取值，不能仅取表层土壤的ρ，按大型地网的散流模型，是一个在地网之下的半球形（如图1），即应取从地面至深度为地网等效半径之内的平均土壤电阻率，同时还应知道在这个半球之内的土壤分层情况，即各层土壤的ρ，作为设计的依据。
因此，国标规定，对这种大体积土壤的土壤电阻率的测量，最准确的方法是四点法，（如图2）
计算公式：R=V/I ρ=2πaR
从而得出深度直到a的视在土壤电阻率ρ。
必须指出，上式不适于打入深度为b的接地棒，该式仅适用于埋在深度为b的带绝缘连接的小电极，且b＜0.1a时。
假如地网的直径为200m，则a应取100m，当a从5m到100m，取若干点，可测出若干ρ值，则可画出该站的视在土壤电阻率曲线，如图三中的曲线所示：
分析：每个拐点（曲率转折处）所对应的电极间距（a）的深度处开始出现另一层土壤。该图说明有三层土壤，如虚线所示，更详尽的分析和总的视在土壤电阻率的计算，请参照国标。

（3）关于接地电阻值的要求
按DL/T621—1997的规定，R≤2000/I 即：IR≤2000（V）
据资料介绍，国外也有要求IR≤650（V）的情况，这是由于现在普遍采用微机保护，2000V难以满足要求。
实际情况是，不少变电站的地电位升高后不能满足低于2000V的要求，所以DL/T621—1997中提出，当接地电阻不符合上述要求时，可根据技术经济比较，增大接地电阻，但不得大于5Ω，这需做一系列等电位，均压措施，如高电位引出，低电位引入的隔离措施，验算接地时的地电位升高不得使10kV避雷器动作和损坏的限制，验算接触电位差和跨步电位差等。
但“不得大于5Ω”的规定，似乎有点过宽，因为微机保护要求不得大于1Ω，且微机保护还要采取一系列其它措施，如铺设接地铜排等。

（4）关于地网中垂直接地极及深井接地极的布置
按第（2）条中的散流模型，在地网中间采用垂直接地极是被水平接地极屏蔽的，对改善接地电阻作用不大，垂直接地极只对某些设备的散流效果起加强作用，因此，除避雷器、构架避雷针、变压器中性点，消弧线圈中性点等要增设垂直接地极外，其余地方有一次设备的可适当装一些，而地网边沿一圈可多装垂直接地极，提高散流效果，相当于扩大了地网的面积，减少接地电阻。
同理，如果搞深井接地，也应安放在地网边沿，效果才好，安放于地网中间时，由于水平接地极的屏蔽作用，其效果大减。

（5）关于降阻剂的采用
在土壤电阻率小于500Ω·m的地方，没有必要采用降阻剂，而在土壤电阻率高于1000Ω·m的地方，其作用也很小，特别是地下为岩层时，起不到散流作用，而当ρ在500—1000的范围内，降阻剂的作用相当于加大了水平接地极的截面和与土壤的接触面积，能起到一定的降低接地电阻的作用。
所以，在变电站地网设计时，不要轻言使用降阻剂，一旦使用了，施工应特别严格，要将全部接地极（水平的、垂直的）一点不漏地包起来，运行中也不能损坏，否则，未包的地方，很容易锈蚀，要做到一处不漏，实际上是不可能的，如在关键之处，对地网安全将极为不利。
当土壤ρ很高的情况下，可根据地层情况，采用深井接地和引外接地（引外不能太远），最好不要选在ρ很高的地方建变电站。

（6）关于接地极的热稳定校验
热稳定校验中按流过接地线的短路电流稳定值进行，与前述（1）中所述入地电流不同，指的就是Imax，不存在分流问题，所以设备的接地引下线截面应大于地网主干线截面，因到主干线后至少会向两侧分流，但考虑到地下主干线易腐蚀，及采购钢材的规格不宜过多，一般地下主干线与接地引下线都用同一规格，但必须符合下式要求的截面积；Sg≥Ig／c·√te，式中的te，为简化起见对110kV及以上系统取1s，对35kV及以下取2s，但存在一问题，按DL/T621中的6.2.9条“与架空送配电线路相连的6～66kV高压电气装置中的电气设备接地线，还应接两相异地短路校验热稳定”的要求，只要不是全电缆系统，10～35kV部分的电气装置要按两相短路电流进行校验，这种两相异地短路有时是会发生的，由于电压等级低，两相短路时，电流将很大，一般均大于高压侧的接地短路电流，造成10～35kV部分的接地线（引下线）截面要大于110～220kV设备的接地引下线，为满足这一要求，又不想增加接地引下线的截面，可在设计施工时采取一些措施来满足这一规定，具体办法如下：
a. 对室内配电装置，要保证穿过高压室的主网干线不得少于2条，并分别引到两侧盘底槽钢上，这样盘柜的接地就可以了。
b. 对出线套管部分，由于都有速断保护，te可取1s，固定穿墙套管不得使用水泥板，应使用钢板，以便在室外焊接大截面的接地线，并引至主网接地（建议不要在室内引下），如果还不够，可以将两路出线的钢板连接构成二路并联接地线，这就可以满足要求。
c. 主变进线部分，由于进线桥架一般都有3个支柱，每个支柱都引下一根接地线构成并联地线，另外将穿墙套管的钢板与桥架的槽钢连接（一般最多一米远），也解决了进线穿墙套管的接地截面不足的问题。
d. 电抗器室，电容器室，只要有2条以上主干线引入并相互连通，也可满足截面要求。
由于两相异地短路接地的几率较低，也由于10kV母线及出线的相间距离较小，一旦发生弧光接地，在变电站内就很容易发展为三相短路，故发生接地线烧断的情况极少。

2 地网施工安装
 只要设计时做到上述的各项要求，图纸详尽清晰，材料符合要求，施工时只要加强监督，遇到问题及时请示，并修改局部设计，就不难保证施工质量。
问题是由于现场人员的素质低，又没有专业监理，地网施工的质量就难保证，会出现虚焊、断开、串联接地现象，甚至引下接地线不接到主网干线等也有可能发生。
如新建几个农网110kV站，主变35kV出口侧避雷器装于龙门架上，根本未考虑其接地要求，只在一侧与构架在水泥杆的接地引下线点焊连接。
为防止上述违规事件的发生，关键是地网检查试验要由专业人员去认真进行通断检查，做好中间验收和竣工验收，发现不合格及时返工，才能保证施工质量。
关于设备的接地方式，土建时将接地引下线引至支柱的钢圈处，设备安装时，有的设备的接地端子不用，而是通过4个固定螺栓与底座相连，而这些螺栓孔大，螺杆小，接触面积较小，底座与支柱钢板的焊接也不多，其接地截面不一定够，还有的设备接地端子备有2～4个螺孔，但接地扁铁只有1～2个孔，显然接触面积是不够的，所以接地引下线扁铁应与底座相连接，也应与设备的接地端子连接，且接地端子有多少孔都要用上，才能保证接触良好且截面足够。

其他应注意的问题：
（1）地网四角应做成圆弧型，曲率半径不小于一个小网格间距的一半，有些设计人员将独立避雷针放墙角处，将主网割去一块是不妥的。
（2）主干线水平接地极应竖直放置，减少水沉积于宽面上使锈蚀加快。
（3）根据运行经验，电缆沟内的接地扁铁是最容易锈断的，施工中可将扁铁埋入水泥中，在需焊支架及与主网相连处加焊一小块扁钢，以增加焊点厚度，焊后清除干净焊渣，并刷上防锈漆。
（4）控制室内的接地应形成环网，主网干线穿过控制室时，应从两侧都往楼上引接地线，盖房子宜将高压室、控制室的基础钢筋与接地主干线连接，可改善接地效果。
（5）穿墙套管的接地宜在室外，且每组套管的接地线都要引至主干线，对运行人员和屋内二次设备都比较安全。
（6）单芯电缆的屏蔽层接地只允许一端直接接地，另一端应设放电间隙保护（300m以内）和过电压保护器（300m以外），三芯电缆应将内屏蔽和外护套分别引出接地以使安装后和运行中能测试内衬层的绝缘电阻作为判断是否进水的依据。
（7）按照接地线应便于检查的要求，宜在接地网的两条主干线上（长宽两个方向）的网格交叉点上作永久性标记。
（8）一次设备的接地引下线不得往电缆沟接地扁铁连接，也不宜悬空穿越电缆沟。
（9）接地网水平接地极铺设后，回填土时，底下一定要用干净的原土，不得将碎石，骨葬 土填到下部。
（10）输电线路铁塔的接地，应特别重视铁塔基础的接地，将塔基的钢筋引出，在坑内做一个简单的笼子套在基础外面，并与基础钢筋相连，同时引上来与塔基相连，其接地效果比铺设水平接地极要好得多，既可以防盗，也减少了施工工作量，接地电阻还小，且不受上层土壤干燥的影响。
（11）配电台区的接地，DL/T621—1997中有几条要求，现在没有很好执行。
a. 保护配电柱上断路器、负荷开关和电容器的避雷器的接地线，应与设备的外壳相连，我局现有的设计和施工都是让避雷器单独接地，其它设备的外壳都不接地，其保护效果很差。
b. 户外柱上配电变压器等电气装置的接地装置，宜敷设成围绕变压器台的闭合环形，这是因为辐射形布置时的跨步电压较高，且影响范围较大，对行人安全不利，今后设计和施工时应注意。

3 地网阻抗、地面电位的测量方法
3.1 地网施工完成后，必须准确测试其接地阻抗和地面电位分布，以验证设计计算的准确程度，为运行单位提供确切的地网参数。
由于接地网的特性，随土壤的成分和物理状态，以及随接地极的延伸范围和形状而变化，还随季节而变化，而土壤电阻率的测量又可能不准确（实际上也很难测准大面积地网下的土壤复杂性），且测试地网阻抗时，所设接地棒又离变电站较远，其间的土壤情况可能很复杂，如有多种ρ的土壤或埋有金属物等，使地网阻抗的测试很难准确，所测值可能与计算值相差很大，因而建议在相似气候和湿度条件下进行土壤电阻率及接地电阻的测量。

3.2 测量方法
（1）对大型接地网的接地阻抗，一般采用电位降法，（如图四），电位降法的内容是画出比值V/I=R随电位极间距X变化的曲线，该曲线转入水平阶段的欧姆值当作被测地网的真实接地阻抗值，（如图五）。图中可见，将电位极置于P1位置，可以大大减少试验引线间的耦合，当间距放到相当大后，可以得到地网真实接地电阻的下限值。电流极C与E之间的距离d应尽可能大，一般要求5倍的接地网的对角线长度（即5D）；在土壤电阻率均匀时，可以减到2D，而对于极不均匀的土壤电阻率时，还应加大到5—10D，才能满足要求。而电压极与E之间的距离，我们都知道按0.618d，就是0.618规则，但不知道该规则的应用是有条件的，这个条件是：（1）有完全同质的土壤，

（2）有足够大的间距（10D以上），以便地网电极可采取半圆的形式，但实际测量时，土壤是否同质不能单看表面，还要看深处的土壤情况，而我们心中无数，而电流极与E之间的距离也远远不到10D，因此，一般测试时都难符合0.618d的条件。
实际上，大型接地网测试接地电阻时，并不一定出现曲线变平的情况，这是因为电流极和接地网之间存在互阻的影响，GB/T17949—2000标准中，列出一个125m×150m的变电站地网测试曲线，该站对角线d为195m，电流极离围墙400m以外，电位极分别采用上图中的P和P1处。测试结果画成曲线如图6：
曲线表明在电流极和变电站接地网之间存在互阻，这就是曲线B未能变平的原因，而曲线A倒似乎变平了，可从中求得待测接地网真实接地阻抗的下限值。所以，测试大型接地网时，宜将电位极布置在电流极的另一侧，距离接地网的距离只要超过0.618d就可以了，为便于比较，建议运行中的测试，将C、P的位置固定起来，排除不稳定因素，只剩下一个土壤湿度的差异，只要选择适当的时日，历次测量的误差就可以减到最小。这样就可以与以前测试值进行比较，分析地网的变化情况。

（3）接地网完整性测试
本测试的目的在于确定接地网的各个部分是否由低阻导体相互联接，以及各设备的接地引下线与主网的联接质量（包括焊接质量），其测试方法是将约5A的直流电流通往接地网与待校验的两点间，用毫伏表测量该两点间的电位差，用串入的安培表测出回路中的电流，从电流和电压读数计算出有效电阻值，该电阻值一般宜小于0.1Ω，所用测试线的截面应足够大。
为减少运行中变电站内交流电压的干扰，可通过将一个20μf以上电容器并联于毫伏表的动圈的方法。

（4）地面电位的测量（等电位线）和跨步电压，接触电压的测试，如地网面积较大，土壤均匀且ρ＜300Ω·m，设计比较合理，满足IR＜2000的要求，则跨步电压和接触电压，都能满足要求，如无特殊要求时，该项工作可以不做，当不满足上述条件，则应进行上述各项的实测，实测应在地网安装之后投运前进行。
进行等电位线测定是为了查明在事故状况下接地装置附近的危险电位梯度。从一已知参考点测量接地电气装置周围各点的电压降，并画在位置图上，将等电位的各点连成线，就可画出等电位图。发生接地故障时，实际的电位梯度为接地故障电流与测试电流的比值乘以测试电流时的电位梯度。
最准确的电位梯度测量方法是，电流表——电压表法，测试时将50～100A的恒定电流，通过接地网流向远方电流极，该电流极与接地网之间的距离，对大型接地网可为1.6km以上，用高阻抗电压表在地面从通入电流处沿辐向放射的各个电位线测量电位梯度，这样测出的等电位线图只适应于站内设备故障接地时，当线路上发生故障接地时，在变电站内及其周围所形成的电位梯度，可能十分不同，即使在站内，在不同地点发生短路接地故障时，其电位梯度也是不同的，因此，注入电流的参考点，至少应选取2处以上，才比较合理。
其它注意事项：站内地面上的金属结构及地下金属物都会对电位精度产生较大的影响，在测量时应注意。
如变电站及周围的地下土壤均匀，也可以通过测试土壤电阻率ρ和接地电阻来计算电位梯度，其前提是上述两项的测试必须准确，如前所述，测量很难做到准确，因而计算结果只能是粗略的。

4 结论
 本文叙述的内容是有关标准中最基本的部分，希望引起有关部门的重视，虽然地网工程总的来说是粗糙的，很难达到精确，因为不稳定因素太多，地质条件复杂又探测不准，正因为如此，更需要我们做细致、繁杂的工作，把基本数据尽可能搞准确，设计上尽可能将各种要求都考虑到，施工测试要严格执行标准，尽可能做到设计合理，施工精细，测试准确，以满足运行要求，才能达到地网安全经济的目标。

作者简介：
王学求（1944-），男，河南省南阳市电业局生技科，高级工程师，从事多年高电压技术工作。

发布日期：2008-6-14　【返回】