接地系统设计知识点详解

一、接地设计程序与要求

【引导问题】

◆什么是工作接地？什么是保护接地？

◆什么是接触电位差？什么是跨步电位差？

接地就是指电气设备的某部分与大地之间作良好的电气连接，使该部分与大地经常保持等电位。电力系统中电气装置、设施的某些可导电部分应接地。电力系统根据接地的目的不同可分为两类：工作接地和保护接地。工作接地是在电力系统电气装置中，为运行需要所设的接地（如中性点直接接地或经其他装置接地等）。保护接地是将电气装置的金属外壳、配电装置的构架和线路杆塔等，由于绝缘损坏有可能带电，为防止其危及人身和设备的安全而设的接地。

（一）一般程序

在接地设计时，一般程序为：

（1）调查工程所在地的土壤特性及地质构造，确定土壤电阻率。

（2）了解发电厂或变电站的布置、结构、钢筋配置情况，确定可利用作为接地装置的各种自然接地体。

（3）按设计水平确定电网在非故障情况下最大入地电流值。

（4）进行接地装置设计并绘制接地系统布置图（包括利用的自然接地体）。

（5）计算接地电阻。当接地装置不能符合规定电阻时，应采取扩大接地网面积或引外接地、深埋接地等措施等以降低接地电阻。

（6）设计配置装置均压带并计算接触电位差和跨步电位差。当不满足允许值时，增加均匀带又有困难时，可采用加强分流或限制人身电流等措施。

（7）选择接地装置导体截面。

（8）绘制施工图纸。

（二）一般要求

1.一般要求

（1）发电厂、变电站内，不同用途和不同电压的电气装置、设施，应使用一个总的接地装置，接地电阻应符合其中最小值的要求。

（2）确定发电厂、变电站接地装置的型式和布置时，考虑保护接地的要求，应降低接触电位差和跨步电位差。

接地短路（故障）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。

接地短路（故障）电流流过接地装置时，大地表面形成分布电位，在地面上离设备水平距离为0.8m处与设备外壳、架构或墙壁离地面的垂直距离1.8m处两点间的电位差，称为接触电位差。

1）在110k V及以上有效接地系统和6～35k V低电阻接地系统发生单相接地或同点两相接地时，发电厂、变电站接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值：

式中 U t——接触电位差，V；

U x——跨步电位差，V；

ρf——人脚站立处地表面的土壤电阻率，Ω·m；

t——接地短路（故障）电流的持续时间，s。

2）3～66k V不接地、经消弧线圈接地和高电阻接地系统，发生单相接地故障后，当不迅速切除故障时，此时发电厂、变电站接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值：

3）在条件特别恶劣的场所，例如水田中，接触电位差和跨步电位差的允许值宜适当降低。

2.发电厂、变电站经接地装置的入地短路电流及电位计算

（1）计算用入地短路电流的计算。

厂或站内和厂或站外发生接地短路时，流经接地装置的电流可分别按下式计算：

式中 I——入地短路电流，A；

I max——接地短路时的最大接地短路电流，A；

I n——发生最大接地短路电流时，流经发电厂变电站接地中性点的最大接地短路电流，A；

K e1、K e2——厂或站内和厂或站外短路时，避雷线的工频分流系数。

计算用入地短路电流取两式中较大的I值。

（2）发生接地故障时，接地装置的电位、接触电位差和跨步电位差的计算。

1）接地装置的电位可按下式计算：

式中 U g——接地装置的电位，V；

I——计算用入地短路电流，A；

R——接地装置的接地电阻，Ω。

图10-1　接地网的形状

2）均压带等间距布置时接地网（图10-1）地表面的最大接触电位差、跨步电位差的计算。

a.接地网地表面的最大接触电位差，即网孔中心对接地网接地极的最大电位差，可按下式计算：

式中 U tmax——最大接触电位差，V；

K tmax——最大接触电位差系数。

当接地极的埋设深度h=0.6～0.8m时，K tmax可按下式计算：

式中 K d、K L、K n和K s——系数，对30m×30m≤S≤500m×500m的接地网，可按式（10-10）计算：

式中 n——均压带计算根数；

d——均压带等效直径，m；

L 1、L 2——接地网的长度和宽度。

b.接地网外的地表面最大跨步电位差可按下式计算：

式中 U smax——最大跨步电位差，V；

K smax——最大跨步电位差系数。

正方形接地网的最大跨步电位差系数可按下式计算：

而T=0.8m，即跨步距离。

对于矩形接地网，n值由下式计算：

式中 L 0——接地网的外缘边线总长度，m；

L——水平接地极的总长度，m。

3.降低接触电位差和跨步电位差的措施

当人工接地网的地面上局部地区的接触电位差和跨步电位差超过规定值，因地形、地势条件的限制扩大接地网的面积有困难，全面增设均压带又不经济时，可采取下列措施：

（1）在经常维护的通道、操作机构四周、保护网附近增设1～2m网孔的水平均压带，可直接降低大地表面电位梯度。此方法比较可靠，但需要增加钢材消耗量。

（2）敷设砾石地面或沥青地面，用以提高表面电阻率，以降低人身承受的电压，此时地面上的点位梯度并不改变。

采用碎石、砾石或卵石等高电阻率路面结构层时，其厚度小于15～20cm，电阻率可取2500Ω·m。

采用沥青混凝土结构层时，其厚度为4cm，电阻率取500Ω·m。为了节约，也可将沥青混凝土重点使用。如只在经常维护的通道、操作机构的四周、保护网的附近敷设，其他地方可采用砾石或碎石覆盖。

具体采用哪种措施，应因地制宜地选用。

4.电气装置和设施需接地部分

电机、变压器和高压电器等的底座和外壳；电气设备传动装置；互感器的二次绕组；发电机中性点柜外壳、发电机出线柜和封闭母线的外壳等；GIS的接地端子；配电、控制、保护用的屏（柜、箱）及操作台等的金属框架；铠装控制电缆的外皮；屋内外配电装置的金属架构和钢筋混凝土架构以及靠近带电部分的金属围栏和金属门；电力电缆接线盒、终端盒的外壳，电缆的外皮，穿线的钢管和电缆桥架等；装有避雷线的架空线路杆塔；除沥青地面的居民区外，其他居民区内，不接地、消弧线圈接地和高电阻接地系统中无避雷线架空线路的金属杆塔和钢筋混凝土杆塔；装在配电线路杆塔上的开关设备、电容器等电气设备；箱式变电站的金属箱体。

二、接地装置的布置

【引导问题】

◆什么是自然接地极？什么是人工接地极？

◆接地装置布置时应考虑哪些因素？

各种接地装置应利用直接埋入地中或水中的自然接地极，并设置将自然接地极和人工接地极。发电厂、变电站除利用自然接地极外，还应敷设人工接地极。当利用自然接地极和引外接地装置时，应采用不少于两根导体在不同地点与接地网相连接。

（1）发电厂、变电站电气装置的接地装置，除利用自然接地极外，应敷设以水平接地极为主的人工接地网。

35k V及以上变电站接地网边缘经常有人出入的走道处，应铺设砾石、沥青路面或在地下装设两条与接地网相连的均压带。

对于3～10k V变电站、配电站，当采用建筑物的基础作接地极且接地电阻又满足规定值时，可不另设人工接地。

（2）在有效接地和低电阻接地系统中，发电厂、变电站电气装置的接地装置，当接地电阻不符合的要求时，其人工接地网及有关电气装置还应符合以下要求：

1）为防止转移电位引起的危害，对可能将接地网的高电位引向厂、站外或将低电位引向厂、站内的设施，应采取隔离措施。例如，对外的通信设备加隔离变压器；向厂、站外供电的低压线路采用架空线，其电源中性点不在厂、站内接地，改在厂、站外适当的地方接地；通向厂、站外的管道采用绝缘段等。

2）考虑短路电流非周期分量的影响，当接地网电位升高时，发电厂、变电站内的3～10k V避雷器不应动作或动作后应承受被赋予的能量。

3）设计接地网时，应验算接触电位差和跨步电位差。

（3）当人工接地网局部地带的接触电位差、跨步电位差超过规定值，可采取局部增设水平均压带或垂直接地极敷设砾石地面或沥青地面的措施。

（4）发电厂、变电站的接地装置应与线路的避雷线相连，且有便于分开的连接点。当不允许避雷线直接和发电厂、变电站配电装置架构相连时，发电厂、变电站接地网应在地下与避雷线的接地装置相连接，连接线埋在地中的长度不应小于15m。

（5）发电厂、变电站电气装置中下列部位应采用专门敷设的接地线接地。

发电机机座或外壳，出线柜、中性点柜的金属底座和外壳，封闭母线的外壳；110k V及以上钢筋混凝土构件支座上电气设备的金属外壳；箱式变电站的金属箱体；直接接地的变压器中性点；变压器、发电机、高压并联电抗器中性点所接消弧线圈、接地电抗器、电阻器或变压器等的接地端子；GIS的接地端子；避雷器，避雷针、线等的接地端子。

（6）在接地线引进建筑物的入口处，应设标志。明敷的接地线表面应涂15～100mm宽度相等的绿色和黄色相间的条纹。

（7）发电厂、变电站配电装置构架上避雷针（含悬挂避雷线的架构）的集中接地装置应与主接地网连接，由连接点至变压器接地点沿接地极的长度不应小于15m。

三、接地电阻的计算

【引导问题】

◆什么是工频接地电阻？什么是冲击接地电阻？

◆接地电阻的允许值如何确定？

当电气设备发生接地故障时，电流就通过接地体向大地做半球形散开。试验表明，在离开接地导体20m处，电位已趋近为零。这电位为零的地方，称为电气上的“地”。接地点处的对地电压与接地电流的比值定义为该点的接地电阻。接地电流一定时，接地电阻越大，对地电压越高，因而不利于电气设备的绝缘和人身安全。所以要力求降低接地电阻。

接地电阻分为工频和冲击接地电阻。工频接地电阻是指工频电流流过接地装置时所呈现的电阻值，可以认为是接地体20m以内土壤的散流电阻，距离接地体20m以外的大地是电气上的零电位点；冲击接地电阻是在冲击电流或者雷电流过接地装置时，假定接地装置对地电位峰值与通过接地体流入地中的瞬时电阻。接地电阻示意图见图10- 2。

（一）接地电阻允许值

1.发电厂、变电站电气装置的接地电阻

（1）有效接地和低电阻接地系统中发电厂、变电站电气装置保护接地的接地电阻宜符合下列要求：(www.xing528.com)

一般情况下，接地装置的接地电阻应符合下式

图10-2　接地电阻示意图

式中 R——考虑到季节变化的最大接地电阻，Ω；

I——计算用的流经接地装置的入地短路电流，A。

式（10-14）中计算用流经接地装置的入地短路电流，采用在接地装置内、外短路时，经接地装置流入地中的最大短路电流对称分量最大值，该电流应按5～10年发展后的系统最大运行方式确定，并应考虑系统中各接地中性点间的短路电流分配，以及避雷线中分支的接地短路电流。具体计算方法见本任务知识点一。

当接地装置的接地电阻不符合式（10-14）要求时，可通过技术经济比较增大接地电阻，但不得大于5Ω。

（2）不接地、消弧线圈接地和高电阻接地系统中发电厂、变电站电气装置保护接地的接地电阻应符合下列要求。

高压与发电厂、变电站电力生产用低压电气装置共用的接地装置应符合式（10- 15），但不应大于4Ω。

高压电气装置的接地装置，应符合式（10-16），但不宜大于10Ω。

式中 R——考虑到季节变化的最大接地电阻，Ω；

I——计算用的接地故障电流，A。

在高土壤电阻率地区的接地电阻不应大于30Ω。

（3）发电厂、变电站电气装置雷电保护接地的接地电阻：

独立避雷针（含悬挂独立避雷线的架构）的接地电阻。在土壤电阻率不大于500Ω·m的地区不应大于10Ω。

变压器门型构上避雷针、线的接地电阻应符合《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T 620—1997）的要求。

发电厂和变电站有爆炸危险且爆炸后可能波及发电厂和变电站内主设备或严重影响发供电的建（构）筑物，防雷电感应的接地电阻不应大于30Ω。

发电厂的易燃油和天然气设施防静电接地的接地电阻不应大于30Ω。

2.架空线路的接地电阻

架空线路杆塔保护接地的接地电阻不宜大于30Ω。架空线路雷电保护接地的接地电阻应符合《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T 620—1997）的要求。

3.配电电气装置的接地电阻

工作于不接地、消弧线圈接地和高电阻接地系统、向建筑物电气装置（B类电气装置）供电的配电电气装置，其保护接地的接地电阻应符合下列要求：与B类电气装置系统电源接地点共用的接地装置。

（1）配电变压器安装在由其供电的建筑物外时，应符合式（10-17）的要求，但不应大于4Ω。

式中 R——考虑到季节变化接地装置最大接地电阻，Ω；

I——计算用的单相接地故障电流；消弧线圈接地系统为故障点残余电流。

（2）配电变压器安装在由其供电的建筑物内时，不宜大于4Ω。

（3）非共用的接地装置，应符合式（10-17）的要求，但不宜大于10Ω。

（二）工频接地电阻的计算

（1）垂直接地极的接地电阻可用下式计算（图10-3）：

式中 R V——垂直接地极的接地电阻，Ω；

ρ——土壤电阻率，Ω·m；

l——垂直接地极的长度，m；

d——接地极用圆钢时，圆钢的直径，m。

当用其他型式钢材时，其等效直径应按下式计算（图10- 4）：

图10-3　垂直接地极的示意图

图10-4　几种型式钢材的计算用尺寸

（2）不同形状水平接地极的接地电阻可用下式计算：

式中 R h——水平接地极的接地电阻，Ω；

L——水平接地极的总长度，m；

h——水平接地极的埋设深度，m；

d——水平接地极的直径或等效直径，m；

A——水平接地极的形状系数。

水平接地极的形状系数可采用表10-1所列数值。

表10-1　水平接地极的形状系数A

（3）水平接地极为主边缘闭合的复合接地极（接地网）的接地电阻可利用下式计算：

式中 R n——任意形状边缘闭合接地网的接地电阻，Ω；

R e——等值（即等面积、等水平接地极总长度）方形接地网的接地电阻，Ω；

S——接地网的总面积，m2；

d——水平接地极的直径或等效直径，m；

h——水平接地极的埋设深度，m；

L 0——接地网的外缘边线总长度，m；

L——水平接地极的总长度，m。

（4）人工接地极工频接地电阻的简易计算，可采用表10-2所列公式。

表10-2　人工接地极工频接地电阻（Ω）简易计算式

注 1.垂直式为长度3m左右的接地极。
2.单根水平式为长度60m左右的接地极。
3.复合式中，S为大于100m2的闭合接地网的面积；r为与接地网面积S等值的圆的半径，即等效半径，m。

（三）冲击接地电阻的计算

（1）单独接地极的冲击接地电阻可用下式计算：

式中 R i——单独接地极的冲击接地电阻，Ω；

R——单独接地极的工频接地电阻，Ω；

α——单独接地极的冲击系数。

单独接地极接地电阻的冲击系数，可利用以下各式计算。

垂直接地极：

单端流入冲击电流的水平接地极：

中部流入冲击电流的水平接地极

（2）当接地装置由较多水平接地极或垂直接地极组成时，垂直接地极的间距不应小于其长度的两倍；水平接地极的间距不宜小于5m。

由n根等长水平放射形接地极组成的接地装置，其冲击接地电阻可按下式计算：

式中 R hi——每根水平放射形接地极的冲击接地电阻，Ω；

ηi——考虑各接地极间相互影响的冲击利用系数。

各种型式接地极的冲击利用系数ηi可采用表10-3所列数值。

表10-3　接地极的冲击利用系数ηi

（3）由水平接地极连接的n根垂直接地极组成的接地装置，其冲击接地电阻可按下式计算：

式中 R vi——每根垂直接地极的冲击接地电阻，Ω；

R′hi——水平接地极的冲击接地电阻，Ω。

四、降低接地电阻的措施

【引导问题】

◆有哪些降低接地电阻的措施？

当接地装置不能符合规定电阻时，需要采取一系列措施降低接地电阻，下面介绍几种降低接地电阻的方法。

1.外引接地

在高土壤电阻率地区，当接地装置接地电阻难以满足要求，且附件有可设置人工接地装置的低土壤电阻率地区或水源，可采取引外接接地措施降低接地电阻。为了减小接地引线的阻抗压降，提高引外接地体的利用效果，通过技术经济比较，可采用增大引外导体截面，增加导体根数，或采用铜导体和电缆引线等措施。

2.深井接地

当发电厂或变电站及其附近，地下深处土壤电阻率较低或有地下水，而地表层土壤电阻率很高时，采用深井接地对减少接地装置接地电阻的效果较为显著，可采用深井接地。

深井接地体宜延伸至地下水位以下和地层中电阻率较低处，同时，其水平间距宜大于深埋深度，以减少相互屏蔽影响，提高各接地体的利用率。深埋接地体宜设置在接地网以外地区或地网的边缘，不宜设置在边坡上。

3.人工降阻

在不可采用深井接地和外引接地的地方，当地网面积不大时，可根据现场情况和技术经济比较，因地制宜地采用人工降阻措施来降低电阻。人工降阻措施包括使用降阻剂和低电阻率材料替换。

在接地体周围加入降阻剂，以扩大接地体尺寸和降低接地体与土壤的接触电阻，改善其传导性能。降阻剂一般有化学降阻剂和膨润土。人工降阻对于减小单个或集中接地体的工频接地电阻具有显著效果，对小面积地网也有一定效果。但对减小接地体冲击接地电阻的效果不如工频接地电阻显著。冲击电流越大，效果越差。

对集中接地体宜采用置换材料的方法降低接地电阻。要因地制宜，就近取材。所用置换材料应该是电阻率低，不易流失、性能稳定、易于吸收和保持水分，且无明显腐蚀作用的，并应施工简单，经济合理。通常采用低电阻率的黏土。置换材料填入人工接地坑（沟）时，应分层捣紧。

人工降阻成本高，且仅对单个或集中接地体的工频接地电阻具有显著效果，对小地网页有一定效果，对大、中型地网没有任何作用，可针对工程情况适当采用。