电力系统变电站接地网分析与优化毕业设计论文.doc

毕 业 论 文

题目 电力系统变电站接地网分析与优化

专 业：电气工程及其自动化
学 院： 电气工程学院
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完成时间： 年 月 日

摘 要
变电站的接地网是确保变电站工作接地、保护接地和防雷保护接地的必要设施，也是保障人身和设备安全、保证变电站可靠运行的重要手段。在我国的电力发展史上，曾多次出现因接地网设计不当造成的停电事故和安全隐患，因此，接地网的安全应引起电力部门的高度重视。特别是近年来我国经济的快速发展推动了电力负荷需求节节攀高，为了满足负荷日益增长的需要，变电站正朝大容量、特高压、紧凑型方向发展。接地短路电流越来越大，同时国家政策要求新建工程要少占或不占良田好土，建在高土壤电阻率地区的变电站越来越多，这些因素给变电站接地设计和施工造成了困难。为确保变电站投运后接地网的安全，就必须把好接地网设计这一关，从源头上减少和排除接地网出现故障的隐患。

关键词：变电站、地网设计、接地阻抗、测量

Abstract
The substation ground network is to ensure that the substation grounding, protective grounding and lightning protection grounding necessary facilities, and to ensure the safety of person and equipment, to ensure the important means of substation and reliable operation. Power development history in our country, has repeatedly appeared due to improper grounding network design of the power outage and safe hidden trouble, therefore, the safety of grounding network should be paid attention during the height of the power sector. Especially in recent years the rapid development of economy of our country promotes the spiralling power load demand, in order to meet the increasing needs of the load, the transformer substation is moving in the direction of large capacity, high pressure, compact development. Grounding short circuit current to the bigger, at the same time, national policy requires less (or not (new construction land, the good earth, built in high soil resistivity area substation stand more and more, these factors caused difficult to substation grounding design and construction. In order to ensure the safety of substations parameter ground net.through, you must put this good grounding network design, from the source to reduce and eliminate the hidden trouble of the grounding network failure.
Key words: substation, in design, grounding impedance, measurement
目 录
摘 要 I
ABSTRAC II
目 录 III
1 绪 论 1
1.1 接地技术的背景 1
1.2 接地的意义 1
1.3 接地网再国内的发展 1
2 接地的基本原理 3
2.1 接地的概念 3
2.2 接地的作用 3
2.3 电气接地的分类 4
2.4 土壤电阻率 5
2.4.1土壤电阻率ρ的取值 6
2.4.2 接地电阻值的要求 7
2.4.3 直接计算法 9
2.4.4 变电站地网的接地电阻 10
2.5 跨步电位差与跨步电压 11
3 变电站接地网设计 13
3.1 概述 13
3.2 变电站地网设计的总原则 13
3.2.1 对接地电阻的要求 14
3.2.2 接触电位差和跨步电位差允许值 14
3.3 地网的设计步骤和方法 15
3.3.1 调查土壤特性 15
3.3.2 入地故障电流的计算 16
3.3.3 地网导体材料及截面的选择 16
3.3.4 选择地网的布置方式 18
4 变电站接地网优化设计 20
4.1接地网接地电阻计算及量大电阻的确定 20
4.2 减小接地电阻的方法 20
4.2.1 两层接地网 20
4.2.2 深井式垂直接地极 21
4.2.3 用自然体接地 21
4.2.4 引外接地 21
4.2.5扩大接地面积 22
4.2.6 使用降阻剂 22
4.3工程设计中的几点建议 22
4.3.1 土壤电阻率的测量要准确 23
4.3.2接地施工应提前进行 23
4.3.3优先考虑深井式垂直接地极 23
4.3.4接地体的选择 23
4.3.5 降低接地电位的其他方法 23
5 与接地网相关的问题 25
6 结 论 27
致 谢 28
参考文献 29

30
1 绪 论
1.1 接地技术的背景
接地技术作为一门新兴的边缘学科，主要是建立在电学理论基础之上的。这门学科的兴起及其发展与电学比较，晚了近90年。
1981年，美国学者G夏里克(Sharik)指出：“接地技术不能列为一门精密的科学，在 很大程度上它是一种理论科学、实践经验和个人心得的综合技术。”
日本学者高桥建彦指出：“与其说接地是理论，倒不如说是一种现场必须反复进行实 践的技术。这是因为大地的电气特性有许多不确定的因素，不能用一句话简单地下结论，并且在很多场合不能纸上谈兵，只能通过理论计算就得出结论。接地是越想深究其问题就越是深奥的技术，不是能轻易解决的一门学问。”
1.2 接地的意义
电力系统的接地问题是一个看似简单、而实际上却又非常复杂又至关重要的问题，它直接关系到人身和设备的安全。特别是随着电力系统的发展，电网规模不断扩大，接地短路电流越来越大，各种微机监控设备的普遍应用，对接地的要求越来越高。
在电力系统中为了工作和安全的需要，常需将电力系统及其电气设备的某些部分与地 中的接地装置相连接，这就是接地。接地网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。调查表明，我国曾发生多起因接地系统接地电阻未达到要求所导致的事故或事故的扩大。据统计，每发生一次事故的直接经济损失都在几百到数千万元，并且间接所造成的社会影响也非常之大。
1.3 接地网再国内的发展
随着电力工业的发展，电力变电站一次设备二次保护对接地装置的要求不断提高。接地装置是确保电力设备安全运行及其工作人员人身安全的重要设备。电力系统中对接地装置的要求越来越严格，变电所接地系统直接关系到变电所的正常运行，更涉及到人身与设备的安全。然而由于接地网设计考虑不全面、施工不精细、测试不准确等原因，近年来，发生了多起地网引起的事故，有的不仅烧毁了一次设备，而且还通过二次控制电缆窜入主控室，造成了事故扩大，故接地网对电力系统的安全稳定运行起到非常重要的作用。
大型枢纽变电站，就因开关室接地与主接地网之间的接地电阻不合格，引发接地网局部地电位升高，造成高电压、大电流窜入直流系统、继电保护系统、击穿保护二次电缆、造成主控楼及保护装置、二次电缆、低压配电设备全部烧毁；150MVA主变压器和220kV、110kV部分高压设备烧毁。致使多家大型发电厂被迫停机，造成电力系统解裂大面积停电。现在尤其是35kV、10kV系统接地故障，由于接地网存在缺陷导致变电站接地网局部电位升高，致使避雷器不能正确动作，甚至发生逆闪，引发母线对地放电，开关爆炸，烧毁电气设备，甚至烧断接地装置，造成大面积停电的事故时有发生。然而，因为设计、施工、验收等各个方面的因素，未能有效地解决接地装置的防腐问题。比如，福州电业局旗山变，经过多次普测和开挖检查，发现接地网锈蚀严重，接地电阻逐年升高。规程规定：变电站接地装置接地电阻应不大于0.5欧。而该站接地网接地电阻由建站时的0.46 欧升高至2007年的1.05欧。

2 接地的基本原理
2.1 接地的概念
所谓接地，就是把电气系统、电路或设备的某一部分通过接地装置同大地紧密连接在一起。其目的在于确定与之相连接的导体电位并使之大致维持在大地电位。接地是一种有 目的的永久性或临时性的导体连接，通过这种连接而使电路或设备成为接地的。
电气连接处与地相接触的导体称为接地体。若接地体为垂直埋设在地中的金属导体则 称为垂直接地体；若接地体为水平埋设在地中的金属导体则称为水平接地体；若接地体为一组水平埋设的金属导体网格则称为水平接地网。若接地体为水平接地网和垂直接地体共同构成则称为复合接地网。电气回路或电气设备与接地体之间的电气连线称为接地引线。接地引线、接地体统称为接地装置或接地系统。
接地功能是能过接地装置或接地系统来实现的。电力系统的接地装置可分为两类，一 类为输电线路杆塔或微波塔的比较简单的接地装置，如水平接地体、垂直接地体、环形接 地体等；另一类为变电站的接地网。表征接地装置电气性能的参数为接地电阻，关于 接地电阻的内容将在后面的章节介绍。到目前为止，接地仍然是应用最广泛的并且无法用其他方法替代的电气安全措施之一。
2.2 接地的作用
接地的作用主要是防止人身遭受电击、设备和线路遭受破坏、预防火灾和防止雷击、防止静电损害和保障电力系统正常运行。防止人身遭受电击将电气设备在正常运行时不带电的金属导体部分与接地极之间做良好的金属连接，以保护人体的安全，防止人身遭受电击。
当电气设备某处的绝缘体损坏后外壳就会带电，由于电源中性点接地，即使设备不接 地，因线路与大地之间存在电容，此时人体接触到设备外壳时也会有电流流经人体；或者 线路上某处绝缘不好，如果人体触及此绝缘损坏的电气外壳时，电流就会经人体而成通路， 从而使人体遭受电击伤害。
有接地装置的电气设备，当绝缘损坏、外壳带电时，接地电流将同时沿着接地极和人 体两条通路流过，此时，人体与接地极是并联的关系，流过每一条通路的店里只将与其电 阻的大小成反比，接地极电阻越小，流经人体的电流也就越小。通常人体的电阻比接地极 电阻大数百倍，所以流经人体的电流就比流经接地极的电流小数百倍。当接地电阻极小时， 流经人体的电流几乎等于零，相当于接地极将人体短路，因此，人体就能避免触电的危险。
所以，不论施工还是运行，在一年中的所有季节，均应保证接地电阻不大于设计或规范中所规定的接地电阻值，以免发生电击伤害。
保障电气系统正常运行：电力系统接地一般为中性点接地，中性点的接地电阻很小，因此中性点与地之间的电位差接近于零。当相线碰壳或接地时，其他两相对地电压，在中性点绝缘的系统中将升高
为相电压的 3 倍，而在中性点接地的系统中则接近于相电压，因此中性点接地将有利于系统的稳定运行，防止系统震荡，且系统中的电气设备和线路只需按相电压来考虑其绝缘 水平，可降低电气设备的制造成本和线路的建设费用。中性点接地的系统，还可以保证继电保护的可靠动作。通信系统一般采用正极接地，可防止杂音窜入和保证通信设备的正常运行。电力线路需要稳定的参考点才能正常运行，因此也需要进行接地。
防止雷击和静电的危害：雷击时会产生静电感应和电磁感应，物料在生产和运输过程中因摩擦而引起的静电，都有可能造成电击或是火灾的危险。直接遭受雷击的危害，比之于感应雷就更大了，而且发生的机会更多，所以，为了防止直击雷，必须装设防雷装置。所有防雷装置和防止静电危害的措施中，最主要的方法就是设置接地装置。
2.3 电气接地的分类
常用的接地方式按其作用或功能来分可分为以下几种。
(1)工作接地。也叫系统接地，为了满足电力系统运行方式的需要，在电力系统中的适 当地点进行，保证电力设备在正常或事故情况下能可靠工作而设的接地，称为工作接地。 如发电机和变压器中性点直接接地或经消弧线圈接地；在直流系统中还包括相线接地。
(2)保护接地。也叫安全接地，为防止电气设备绝缘损坏而使人身遭受触电危险，将与 电气设备绝缘的金属外壳或构架与接地极做良好的连接，称为保护接地。接低压保护线(PE 线)或接地保护中性线(PEN 线)，也称为保护接地。停电检修时所采取的临时接地，也属于保护接地。
(3)防雷接地。将雷电流导入大地，防止雷电伤人和财产受到损失而采取的接地，称为 防雷接地。如避雷针、避雷线和避雷器等向大地泄放雷电流而设的接地。防雷接地装置只是在雷电冲击作用下才会有电流流过，经防雷接地装置向地中散流的雷电流幅值可达几十 甚至几百千安，但持续的时间很短，一般只有数十微秒。
(4)屏蔽接地。将设备的金属外壳或金属网接地，以保护金属壳内或金属网内的电子设备不受外部的电磁干扰；或者使金属壳内或金属网内的电子设备不对外部电子设备引起干扰。这种接地称为屏蔽接地。法拉第笼就是最好的屏蔽设备。
(5)防静电接地。将静电荷引入大地，防止由于静电积累对易燃、易爆，如易燃油、天 然气储罐和管道等设备以及人体受到损伤的接地，称为防静电接地。而油罐汽车后面拖地的铁链子也属于防静电接地。
(6)逻辑接地。电子设备为了获得稳定的参考电位，将电子设备中的适当金属部件，如 金属底座等作为零参考电位，把需要获得零电位的电子器件接于该金属部件上，如金属底座等，这种接地称为逻辑接地。该基准电位不一定与大地相连接，所以它不一定是大地的零电位。
(7)信号接地。为保证信号具有稳定的基准电位而设置的接地，称为信号接地。
(8)防电腐蚀接地。在地下埋设金属体作为牺牲阳极以达到保护与之连接的金属体，如 输油金属管道等，称为防电腐蚀接地。牺牲阳极保护阴极的称为阴极保护。
2.4 土壤电阻率
人们为了进行正确合理的接地设计，需要了解电流在地中流动的分布规律，而地中电 流的分布规律除了和电流的频率有关外，还决定于大地的电学性质。表征大地电学性质的 主要参数是大地的电阻率、介电常数和磁导率。
据分析，在一般情况下，研究直流或工频接地时，可以把大地看成导体；而研究冲击接地时，在低电阻率地区，只需考虑传导电流的作用，只有在高电阻率地区，才需要考虑 位移电流的影响。电阻率是物质的基本属性，它非常明确地表征物质的导电性能。物质的电阻率是该物质单位立方体的电阻，用表示，单位为欧姆·米，记为Ω·m。
将被测物质做成横截面为S,长度为L的几何体，夹在两电极之间，并通以电流，分别用电流表、电压表测出回路中的电流I和电极两端的电压 U，则电极间物质的电阻为

R=U/I，再由R=ρL/S计算出物质的电阻率为：
ρ=RS/L=(U/I)(S/L) （2-1）
物质的电阻率与几何形状无关，而电阻则由其几何形状的大小决定。物质的电导率为 电阻率的倒数，用表示，单位为西门子/米，记为 s/m。
2.4.1土壤电阻率ρ的取值
　　土壤电阻率ρ是决定接地网的关键参数，选择变电所所址时，要考虑所在地的土质情况，接地网处的土壤分层情况，不能仅取表层土壤的电阻率ρ，若土壤电阻太大，接地网的接地电阻值满足不了R≤2000/I 的要求。
定性地说，电流通过接地极向周围大地无穷远出散流时大地土壤所呈现的总电阻，称为接地电阻。
接地电阻的定量定义是：假设在某个电极上流入接地电流 I，而接地极的电位比周围大地无穷远处高出U 时，则接地极电位U对接地电流 I 的比值 U/I 称为接地电阻。这个定 义必须附加下述两个条件：
要使接地电流流向接地极，必须作出闭合回路，当然必须向大地打人另一个接地 极，然后将电源接入两个电极之间即可产生接地电流。这另外一个电极叫做辅助电极，要设置在离主接地极足够远的地方(理论上在无穷远处)。这样做可以忽略给主电极带来的影响。
接地极的电位上升必须以大地的无穷远点为基准(零电位)。这里所说的无限远点是 指即使有接地电流，电位也不变动的地点，即意味着与通电前的状态没有变化的地点。将这个地点作为电位的基准点(零电位)，因此，可以从电位上升值及其接地电流求出真正的接地电阻。
关于金属接地极自身的电阻：一般金属，例如纯铜的电阻率为ρ=1.7*10-6 Ω·cm，而一般土壤(无岩石)的平均电阻率为ρ=1*104 Ω·cm，它是纯铜电阻率的 57 亿倍。由于金属接地极自身的有效电阻极小，所以计算接地极接地电阻时常常忽略金属接地极自身的电阻。
关于接地极与土壤的接触电阻：金属接地极的表面通常都是很光滑的，而土壤是由微 小的固体颗粒组成的。两种物体接触实际是“点”接触，而不是“线”或“面”接触，所 以在接触界面处有接触电阻。一般说来，对同一类型土壤，打入的垂直接地极(角钢等)比 埋入式的水平接地极的接触电阻更小。但即使是水平埋设的接地极，由于埋设后要对回填土层层夯实，再加上水平导体上面通常有 0. 6~0. 8m 土体的压力，所以也会逐渐接触良好。 就算有一些微小空隙，经雨水后，其空隙也会因土壤膨胀而接触良好，或被地下水填满小空隙，形成良好接触，所以在接地极的接地电阻计算中也忽略接触电阻。
关于接地极周围土壤的电阻：电流在电极周围土壤散流时所引起的土体电阻是很大的，土壤电阻率越高，阻力越大。这是接地电阻的主要部分。
由此可知，在接地技术中所定义的接地极的接地电阻，一般都忽略接地极的有效电阻 和接触电阻，实际上就只考虑接地极周围大地土壤的电阻。
2.4.2 接地电阻值的要求
　　根据电力行业标准DL/T 621197规定，接地装置的接地电阻值应满足R≤2000/I，即IR < 2000V。由于现在普遍采用微机保护，其对接地电阻值的要求很高，即R < 1ρ，2000V难以满足要求，故有的采取铺设接地铜排等措施来降低接地电阻值，国外有的已要求IR < 650V。
(1)电气装置的下列部分均应接地
1)变压器、油开关、35PT、35CT、所用变、刀构架等金属底座和外壳。
2)控制保护用二次线等及外壳等可靠接地。
3)控制设备的金属外壳。
4)避雷针
(2)电气装置的下列部分可不接地
1)安装在配电屏、控制盘和配电装置上的电气测量仪表、继电器和其它低压电器等的外壳以及发生绝缘损坏时，在支持物上不会引起危险电压的绝缘子的金属底座等。
2)安装在已接地金属构架上的设备，如穿墙套管等。
(3)接地装置宜采用钢材，接地装置的导体截面应符合热稳定和机械强度的要求，但应不小于表2-1规格。
表2-1 钢材安装要求表
种类 规格及单位

地上
地下
室内
室外
交流电流回路
直流电流回路
园钢 直径（mm）
6
8
10
12
扁钢
载面（mm2）
厚度（mm）
60
3
100
4
100
4
100
6
角钢厚度（mm）
钢管管壁厚度（mm）
2
2.5
2.5
2.5
4
3.5
6
4.5

规范中严格规定电力系统各种接地装置的电阻值，接地网的设计就是以此为目标值。了解接地网电阻构成，在设计中可以在主要影响接地网电阻的环节采取相应的措施，以降低接地网的电阻值。接地网的电阻由以下几个部分构成：
    1)接地引线电阻，是指由接地体至设备接地母线间引线本身的电阻，其阻值与引线的几何尺寸和材质有关。
    2)接地体本身的电阻，其电阻也与接地体的几何尺寸和材质有关。
    3)接地体表面与土壤的接触电阻，其阻值怀土壤的性质、颗粒、含水量及土壤与接地体的接触面积及接触紧密程度有关。
4)从接地体开始向远处（20米）扩散电流所经过的路径土壤电阻，即散流电阻。决定散流电阻的主要因素是土壤的含水量。接地电阻虽由四部分构成，但前两项所占接地电阻值的比例甚微，起决定作用的是接触电阻及散流电阻。故从接地网的接地体的量佳埋设深度和不等长接地体技术，两面三个方面来论述降低接触电阻和散流电阻 的措施。
5)垂直接地体的量佳埋置深度，是指能使用权散流电阻尽可能达到的埋置深度。决定垂直接地体的量佳深度，应考虑到三维地网的因素，所谓三维地网，是指垂直接地体的埋置深度与接地网的等值半径处于同一数量级的接地网（即埋置深度与等值半径之比大于1/10）。在可能的范围内埋置深度应尽可能取最大值，但并不是埋置深度L越深越佳。
6)接地体的通常设计，是用多根垂直接地体打入地中，并以水平接地体并联组成接地体组，由于名单一接地体埋置的间距仅等于单一接地体长度的两倍左右，此时电流流入名单一接地体时，将受到相互的限制而妨碍电流的流散，即等于增加名单一接地体的电阻，这种影响电流流散的现象，称为屏蔽作用，如图一所示：由于屏蔽作用，接地体的流散电阻，并不等于名单一接地体流散电阻的并联值。
从理论上说，距离接地体20米处为电气上的“地”，故极间距离为40米时，可以认为其利用系数η为L。在接地网的接地体的布置上，是很难做到两单一接地体之间距离为40米，为解决在设计中与理论分析中的矛盾，采取不等长接地体的体系结构，即各垂直接地体的埋置深度各不相等，便可达到良好的效果。不等长接地体技术，从理论上到实践应用中，都较好的解决了多个单一接地体间的屏蔽作用。

2.4.3 直接计算法
接地电阻的大小等于接地极的点位升高与通过接地极流入地中的电流的比值，它与土 壤特性以及接地极的几何尺寸等因素有关。接地极的接地电阻可以通过电流场的求解得 到，电气设备大多在工频电源下进行，由求解恒定电流场计算得到的接地电阻，在工频下 仍然适用。下面以半球形接地极为例进行讨论。
设金属半球的半径为r0 ，经它向地中流散的电流为 I，假定大地是电阻率为ρ(Ω·m)的均匀半无限大介质。
在距球心 O 的距离为r ( r r0 )处的电流密度为：
J= (2-2）
电场强度为：
（2-3）
以无穷远处为零电位参考点，则r处的电位为：
（2-4）
则接地极上的电位为：
（2-5）
式中，当r=10r0 时，将有R=0.9R。可见离开接地极距离为接地极尺寸 10 倍以内的土壤电阻R’占接地极接地电阻的 90%，所以该部分土壤的特性对接地极接地电阻具有很大的影响。
一个由多根水平导体组成的接地网可以近似地当作一块孤立的金属平板，它的电容主 要由面积大小决定。如果在平板上装有较短的垂直接地体，不足以改变决定电容大小的几 何尺寸，电容增加不多，接地电阻减小亦不多。经大量的研究和分析，只有垂直接地极长 度可以和地网等值半径相比拟时，接地电阻才有明显的减小，例如在均匀土壤中，半径为 r 的金属圆盘在地表面时的接地电阻为
(2-6)
若在圆盘内密密麻麻打入无数根长短不同的垂直接地极，使之构成为半径为 r 的半球 形接地极，其接地电阻如式，在比较圆盘和半球接地极的接地电阻计算式可以发现，在同 样的土壤中，相同半径的圆盘和半球形接地电阻相比，半球形接地极只比圆盘接地极减小了36.3%。这个例子说明，众多的垂直接地极因相互屏蔽没有起到应有的散流作用，而白白地浪费掉了。
2.4.4 变电站地网的接地电阻
为了均衡变电站地面的电位分布，降低接触电位差和跨步电压以及便于设备和构架的就近接地，变电站的接地极必须做成由水平导体组成的网状结构，即地网。地网深埋h 一般在 0.6-0.8m，面积一般为变电站的占地面积。
设变电站的占地面积为 A，当该面积埋一块面积为 A 的金属板时，其接地电阻可达最小值；若该面积的金属板更换成与金属板外轮廓相同的水平接地导体时，其接地电阻将达最大值。如果把变电站的占地面积用一等值的面积近似取代，则地网接地电阻的最小值和最大值c可分别用圆盘电极和圆环电极的接地电阻计算公式估算，即:
(2-7)
(2-8)
式中，
到实际地网不是金属板而引入的修正项。它比前一项要小得多。 =0.435Ω，最大值=0.734Ω。也就是说，即使我们把地网内全部铺满钢材，接地电阻也仅降低了 41%。这是由于内部导体被四周的轮廓所屏蔽，电流绝大部分由四周的轮廓流出 的缘故。可见，在地网内铺设很多钢材，对降低接地电阻的效果是不大的。由于 ， 相差不大，在估算实际地网接地电阻时，可以在 的基础上加修正项 R
的方法略去埋深 h 的影响，简化为
(2-9)
也就是说，当ρ=100Ω·m 时，为得到时 0.5Ω 的接地电阻，地网的面积不能小于100×100m2
2.5 跨步电位差与跨步电压
跨步电位差：接地短路电流流过接地装置时，地面上水平距离为 0.8m 的两点间的电 位差，称为跨步电位差Ekb 。接地网外的地面上水平距离为 0.8m 处对接地网边缘接地极的电位差，称为最大跨步电位差 。人的两脚接触该点时所承受的电压叫做跨步电压。
若人的两脚离半球中心的距离分别为rc 和rD ，则跨步电压为
(2-10)
由此可得跨步电压为：
(2-11)

显然，当接触电位差或跨步电位差超过某一安全数值时就会使人遭受触电事故。在接地安全计算中，最重视的是最大接触电位差Ejcm 和最大跨步电位差Ekbm 出现的位置。由于不同形状和不同埋深的接地极会有不同形状的地面分布曲线，因此。最大接触电位差Ejcm和最大跨步电位差Ekbm 出现的位置与接地极的形式、尺寸以及埋深等因素有关，但可以肯定的是离接地极越近，其接触电位差和电势就越大。因此，最大接触电位差Ejcm 和最大跨步电位差Ekbm 一般都在接地极的附近。
对于给定的接地极，其直流接地电阻或工频接地电阻 R 总是一个给定的值(当土壤电阻率给定时)，因此，最大接触电位差Ejcm 和最大跨步电位差Ekbm 的大小将随流入接地极的电流 I 或接地极的地电位 U=IR 变化而变化。但Ejcm 和Ekbm 总是小于接地极的地电位 U。

3 变电站接地网设计
3.1 概述
变电站接地的主要目的是为了保障系统能够安全可靠运行，以及保障人身和设备的 安全，随着电力系统电压等级和不断提高和系统容量的不断增大，接地故障电流和发变电 站接地网的面积也不断增大，要确保为身和设备安全，维护电力系统的可靠运行，需要改 变仅强调降低接地电阻的传统观念，树立主要考虑地面电位梯度分布所带来的危害这一新 概念。实际上，整个接地网的接地电阻与人体或设备不同部位可能遭到的最高电压之间 不存在简单的关系，它们主要与接地网结构尺寸、土壤特性和流经接地网的电流相关。在 土壤电阻率较低且接地网面积很大的情况下，虽然接地电阻可能达到较低的数值，但是若 接地装置设计不合理，在发生接地故障时，地面上仍可能出现很高的电位梯度，会给运行 人员带来危险。
在高土壤电阻率地区且地网面积受到限制的情况下，要使接地电阻满足规程要求是十 分困难的，即使通过大量的投入接地电阻满足了要求，也不能完全无危险，甚至处于技术 经济均不合理的境地。但是，只要合理设计，在不过分注重低接地电阻的情况下，仍然能够设计出满足安全要求的地网。应当说，将变电站内外的接触电位差、跨步电位差和转移电位差限制在安全值以内，仍是确保人身和设备安全的根本所在。
要考虑地面电位梯度带来的危险就不可避免地需要计算地表面的电位分布。但在过去 的接地设计计算中，采用仅适合于简单接地极布置的近似公式或经验公式来计算地面任意一点的电位，是难以实现的，特别是对手复杂形状的地网，就更是如此。随着计算机技术的发展，从 20 世纪 70 年代开始，国内外不少专家学者，将计算机的数值模拟方法引入到 接地计算中，为解决地面电位分布的计算问题，提供了有效方法。
3.2 变电站地网设计的总原则
3.2.1 对接地电阻的要求
变电站地网的接地电阻主要是根据工作接地的要求决定，即要保证在接地故障时，流经地网的入地故障电流 I 在地网上产生的接地电位升不会对人身和设备安全造成威胁。
（1）大接地短路电流系统
运行经验证明，大接地短路电流系统，包括 110kV 及以上有效接地系统和 63kV 低电阻接地系统，当接地电位升IR 2000V 时，人身和设备是安全的，所以我国现行接地 规程规，对于有效接地和低电阻接地系统中地网的接地电阻 R 由下式确定，即
(3-1)
式中：I 为经地网向地中流散的入地故障电流，该值应采用考虑系统 5~10 年发展规划 的最大运行方式下，短路发生在站内或站外时的最大单相短路周期分量，并根据实际接线 中的分流系数来确定，取最大值。
当地网的接地电阻不满足(2-1)式的要求时，可通过技术经济比较增大接地电阻，但不得大于 5Ω，且应当采取措施防止转移电位；考虑短路电流非周期分量的影响，接地电位 升不应引起所内 3~10kV 阀式避雷器动作；并须验算接触和跨步电位差。
（2）小接地短路电流系统
对于小接地短路电流系统，包括 366kV 不接地、经消弧线圈接地和高电阻接地系统来说，由于单相接地故障允许存在 2h，所以接地电位升 IR 的允许值大为降低，对于高压 与变电站电力生产低压电气装置共用的接地装置，应满足
(3-2)
但不应大于 4Ω。
高压电气装置的接地装置，应满足
(3-3)
即使入地故障电流较小，R 也不宜超过 10Ω。
3.2.2 接触电位差和跨步电位差允许值
如第 l 章中所介绍的那样，人体能承受的接触电压和跨步电压与人体电阻、通过人体 的电流值及持续时间、电流流经人体的途径、地表电阻率等因素有关。
根据中华人民共和国电力行业标准 DL/T621-1997，在大接地短路电流系统发生单相 接地或同点两相接地时，发电厂，变电所电气设备接地的接触电压和跨步电压不应超过下列数值：
(3-4)
(3-5)
式中： f 为人脚所站地表面的土壤电阻率，Ω•m；t 为接地短路持续时间，s。
而在小接地短路电流系统中，由于单相接地故障允许的持续时间在 2h 以内，因此， 接触电位差和跨步电位差的允许值为
(3-6)
(3-7)
不难看出，提高接触电位差和跨步电位差允许值最有效的办法就是增大地表的土壤电阻率，如采用碎石或沥青混凝土地面等办法。
3.3 地网的设计步骤和方法
3.3.1 调查土壤特性
土壤电阻率是决定地网参数的重要参数。根据土坡类型及土壤中所含水分的性质和含 水量的多少，土壤电阻率的变化范围很大，由于实际的大地结构比较复杂，同一土壤在不 同地点用利电阻率会有所不同，所以土壤电阻率的确定必须进行实测。在变电站站址选 定后，物探法进行地质结构调查时，要收集站区内土壤在水平方向和垂直方向的变化情况， 同时，利用电探法测出站区(包括站区周围)的土壤电阻率的分布情况，并重视站区土壤电阻率随季节的变化情况，然后，经过对实测数据的分析处理，以便获得设计时所需要的土 壤电阻率。除此以外，还应该调查站区土壤对普通钢、镀锌钢等金属材料的腐蚀情况，测 出对金属材料的腐蚀速度，为地网设计选择正确的金属材料和截面提供依据。
3.3.2 入地故障电流的计算
入地故障电流是指系统发生接地短路时经地网向地中流散并引起地网电位升高的那 部分电流。在输电线路有避雷线和系统中性点直接接地的情况下，当系统发生接地短路时， 短路点的全部短路电流中，一部分电流由与地网连接的避雷线为回路流通，另一部分电流 经地网流回系统的中性点，而剩下的那部分电流才经地网向地中流散，因此，入地故障电 流并不等于故障点的全部短路电流。入地故障电流经地网流散时，它不仅影响着接地电位 升、接触电位差、跨步电位差以及转移电位差、局部电位差的大小，而且还影响着接地引 线、均压导体截面的选择，因此，在接地设计中，无论是从安全的角度考虑，还是从经济的角度考虑都要求准确地计算入地故障电流。
3.3.3 地网导体材料及截面的选择

（1）导体材料的选择
选择导体材料时应当考虑导体的热稳定性、在土壤中的腐蚀速度、导电性、材料价格 及来源等。目前世界上普遍采用的接地材料是铜和钢两种，国外大多采用铜做接地材料， 而根据国情，我国绝大多数接地材料选用的是钢。下面简要分析和讨论这两种材料的性能。
1)热稳定性
在大接地短路电流系统中，入地故障电流一般在几千安到几十千安的范围内，这样强 大的电流经地网向地中流散时，将在导体中产生很高的热量，入地故障电流持续时间取决 于系统主保护动作时间和断路器的分闸时间，一般只有零点几秒，在这样短的时间内导体 产生的热量来不及向周围土壤中扩散，几乎全部热量都用来使导体温度升高。当温度超过 一定值以及经土壤自然冷却后，导体的机械强度会剧烈下降，特别是在导体之间的连接处， 如果再遇短路电流电动力作用，导体就会遭到破坏。当短路电流很大，导体温度升到很高， 达到金属材料的熔点时，导体将会熔化。这两种原因都可能使接地引线和地网导体断裂解 体，地网失去作用，而使系统故障扩大，造成巨大的经济损失。每一种导体材料都具有一 短时最高允许温度，如果导体温度超过它，就意味着其性能下降。同样每种导体材料都有 它自己的熔点。允许最高温度及熔点越高，其热稳定性能越好。铜的短时最高允许温度为 300