变电所接地网优化与低压配电系统接地.docx
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变电所接地网优化与低压配电系统接地
变电所接地网优化与低压配电系统接地
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第一章概述
随着电力工业的发展，变电站一次设备二次保护对接地装置的要求在不断提高。
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。
变电所的接地好坏直接关系到设备和人身的安全，因而愈来愈受到人们的重视，因变电所的接地网不但要满足工频短路电流的要求，还要满足雷电冲击电流的要求，以前由于接地网的缺陷，曾发生了不少事故，其原因既有地网接地电阻方面问题，又有地网均压方面的问题。
随着电网的发展，变电所内微机保护综合自动化装置的大量应用、这些弱电元件对接地网的要求更高，地电位的干扰对监控和自动化装置的影响不得不引起人们的重视，因此，为了保证变电所接地网的可靠性，必须对接地网存在的问题进行改进，并对今后在接地设计与改造方面应该注意的问题进行深入探讨。
第二章变电所接地网存在的问题及改造
2.1变电所接地网存在的问题
2.1.1接地网均压问题
1、在接地网设计时只注意了工频接地电阻而忽略了地网的均压和散流问题，所以有些运行多年变电所接地网的均压不好，特别是横向电位分布不均，电位梯度较大。
2、对于有些变电所接地设计，设备到哪里，水平接地带立连到哪里，或只用长孔地网而很少用方孔地网，再加上敷设接地网的施工单位存在偷工减料，不按图施工等问题，造成接地网很不完善。
3、接地网在施工中水平接地极埋深大部分不足，有的甚至浮在地表面，因此，由于地网均压不好，一旦发生接地短路就有可能引起局部电位升高产生高压向控制和保护电缆反击，使低压元件烧坏。
2.1.2接地网与设备连接问题
1、设备的接地引下线截面偏小或在地下与地网的连接处经过长时间腐蚀造成被锈蚀断；设备没有明显的接地引下线，而是通过混凝土构架的内部的钢筋接地，而混凝土构架的内部钢筋不是在上部就是在下部开路；设备接地短路时因满足不了短路电流的热稳定而被熔断。
2、在厂区扩建时没有扩建新的地网，而是把新增设备的接地通过电缆沟内的接地带与原地网连接，而电缆沟内的接地带又连接不可靠或长期运行在潮湿和有腐蚀气体的环境中，因腐蚀而造成开路；
3、通过螺丝连接的接地线经过长期的锈蚀或松动造成电气上的开路；
由于设备的接地与地网通常发生在设备的接地短路时，设备外壳所带高压容易让低压二次回路反击，烧坏二次电缆元件和元器件，使二次保护和控制失灵，使故障线路不能及时切除，使事故扩大，在使用微机保护和综合自动化系统的场所会造成严重的地电位干扰而使微机保护和综合自动化系统失灵，造成保护的吴动或拒动，而使事故扩大。
设备外壳所带较高的接触电势还将威胁运行人员的安全。
防雷设备的接地不良，要么会影响防雷设备的正常动作，要么会在雷电流入地时产生较高的反击过电压危及设备和人身安全。
2.1.3接地网的腐蚀问题
腐蚀的原因归纳起来有以下几种：
1、接地网的水平接地体预埋深不够，按相关国标和行业规定水平接地体的埋深至少应达到0.6m，而在实际工程中发现有的水平接地体的埋深不够，有的甚至浮在地表，由于上层土壤含氧量高，加速了接地体的氧化，且上层土壤易受气候的影响，接地电阻值不稳定。
2、在扩建时，不扩建地网把电缆沟内的均压带作为设备接地的主要干线，由于电缆沟内的均压带长期运行在阴暗潮湿的环境中，特别是有些电缆沟长期积水，再加上未能定期的进行防腐维护，这就加速连接地的腐蚀，是造成设备或设备单元失地的主要原因；
3、在施工过程冲地网接头焊接质量差，有虚焊假焊或气泡存在;
4、丘陵地区的变电所，风化石或沙石土壤透气性好，土壤中含氧量高，加速了接地体的腐蚀；
5、有害气体腐蚀，以及对设备接地引下线和接头没有采取防腐保护措施或没有定期进行维护。
2.1.4接地网接地电阻问题
水平接地体或接地装置埋深不够，、工频接地电阻普遍满足不了R2000/I的要求，且未采取任何均压和隔离措施,这在多年运行的变电站中尤其突出.其主要原因有:
1、在原设计时电网容量较小,当随着电网的发展,电网容量迅速增大接地短路电流也迅速增大,接地网没有随之进行相应的降阻改造；
2、接地网在施工时没有按要求铺设足够的水平和垂直接地体；
3、接地体在地下经过长期的腐蚀，在接地体表面产生了一层铁锈层，影响了接地体与周围土壤的有效接触，使接触电阻增大；
4、变电所扩建时没有对接地网进行扩建。
2.2变电所接地网改进措施
1、对于运行10年以上的接地网，宜用工频大电流法进行接地电阻、地面电位分布、设备接触电压试验和设备与地网的连通情况试验；对试验发现有问题的地网，应进行开挖检查，检查接地网的埋深，锈蚀和焊接头的连接情况，要重点检查设备接地引下线与地网的连接，因为这些地方由于腐蚀电位差的存在，最易发生电化学腐蚀，
2、对设备接地引下线及地网水平接地体的截面进行热稳定校核，不满足要求的要及时进行整改。
35KV及以上电压等级的设备接地线要用明线引下，不能通过混凝土构架接地，对充油设备，主设备要进行双接地，双接地要从设备的两边引下，并与地网不同点相连，以加强设备连接的可靠性和改善散流情况。
3、在设计新的地网和改造老地网时，宜考虑电网以后5―10年的发展，留有适当的发展余地。
接地网的使用寿命应大于地面设备的使用寿命，因地面电气设备可能更新得较快，而接地网不存在更新的问题。
4、接地网的水平接地体预埋深度应达60CM以下，有些特殊的地方预埋深度应达0.8M或1M以下，用细土回填并分层夯实，严禁用砂石或建筑垃圾回填。
5、设备接地引下线和电缆沟内的均压带要定期进行防腐处理和维护。
6、在电缆附近辅设与电缆沟平行的水平接地体，每隔6―8M与电缆沟内的接地带连接一次，以保证电缆沟内的均压带接地和均压的可靠性。
7、在主变中性点、油开关、避雷器和构架避雷针的接地处和地网的各交叉点设置垂直接地极加强集中接地，改善地网的冲击特性。
8、变电所扩建时要把接地网一并考虑在内，扩建的地网与原地网应多点可靠连接，不能简单地接进电缆沟的接地带了事。
地网的各焊接头焊口质量要严格把关，对焊口要进行相应的防腐处理。
2.3接地网接地设计与改造
1、在接地设计时一定要勘测了解变电所处在位置的地质结构和土壤电阻率，土壤电阻率值是接地设计和计算的重要参数，在接地装置设计之前应认真进行勘测，因大多数情况下土壤都是不均匀土壤，即土壤的电阻率沿水平和垂直方向不均匀分布，这时就需要在水平方向上多测一些点以测出沿水平方向上的不同分布，同时还要测出不同深度的土壤电阻率，如采用四极测量法。
可改变不同的测试距离。
即可算出不同深度的土壤电阻率。
因为测试结果基本上保持着0.75深层土壤电阻率的关系，对于新建变电所可在变电所接地装置布置地点进行测量，对于老站改造可在旁边类似的土质地方测试。
而实际中却发现，有些在原地网上面测试时，结果测试值严重偏小，这是因为如在接地装置上方测量，则因下方有接地体的影响而使结果偏小，这样就会使接地设计产生很大的偏差。
测试一定要到现场实测，不要凭资料介绍的土质进行估算，因为同样土质在南方和北方相差甚远，如不现场实测则会由于取值和实际值相差较大而达不到设计目的。
2、根据变电所的规模，应用电网的接地短路电流来计算通过接地网的入地短路电流值，从而确定接地网的接地电阻值和接地线热容量。
关于流经接地装置的入地短路电流，因为这个电流直接关系到接地电阻，接地线的热稳定计算及设备接触电压和跨步电压的计算。
所以正确计算流经变电所接地装置的电流非常重要。
计算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的最大值，该电流应按510年发展后的系统最大运行方式确定，并考虑系统各中性点的短路电流分配，以及避雷线的分流。
计算时首先应按系统最大运行方式时的短路阻抗算出在单相接地短路电流值，然后根据内、外短路电流计算流过接地装置的电流
I=（Imax-IN）（I-Ke1）
I=In（I－Ke2）
式中I流经接地装置的陆地电流。
A；
Imax接地短路时的最大接地短路电流。
A；
In发生最大接地短路时，流经发电厂、变电所接地中性点的最大接地短路电流。
A；
Ke1厂或所内外短路时、避雷线的工频分流系数；
3、对接地网的均压主要考虑接地网地面的电位分布要均匀，跨步电压要合格，关于接地装置的跨步电压和设备接触电压，接地装置的地面跨步电压UK和设备接触电压Uj是接地装置的主要参数，它直接关系到人身和设备的安全，特别是在采用外延接地时，必须保证外延部分的跨步电压UK在安全值以下，只有这样才能保证在接地装置流过大的接地短路电流时不会造成人身安全事故，因而在接地设计时应该认真计算校核这两个参数，在工程完工后还要进行试验验证。
但是在工程实际中发现有的设计人员只是按下式进行
Uj=174＋0.17f/
UK=174＋0.7f/
式中：
Uj接触电位差。
V；f地表土壤电阻率。
m
Uk跨步电位差。
V；t接地短路故障电流持续时间
4、变电所接地装置的工频接地电阻应符合的要求，如若达不到该要求，在做充分的技术经济分析后可适当放宽，但要采取严格的均压、隔离措施。
降低变电所接地装置的工频接地电阻的措施可以采用：
1）外延接地降阻法；
2）深井式接地极降阻法；
3）降阻剂法；
4）水下地网法；
5）等离子接地极降阻法。
在实际工程中究竟采用何种方法降阻，要根据具体的情况、现场地质、地势情况，并做认真的技术分析后，采用切实可行的降阻措施。
要充分利用自然接地体和接地装置所在处的有利地形条件达到用较少的投资来获得最好的降阻效果。
对位于山区、丘陵地区一边开挖、一边回填的变电所，为了达到接地网与大地的快速亲合，可在回填前在底层先铺一层地网加强与大地融合，然后在上层再铺一层均压网与设备连接。
5、关于接地装置的防腐措施，应首先调查勘测接地装置所在处土壤对钢接地体的腐蚀率和酸碱度，先进行接地体的腐蚀寿命计算，热稳定计算，接地装置的使用寿命应大于地面设备的使用寿命，即在寿命内接地体的截面都要满足接地短路电流热稳定的要求。
防止接地体腐蚀的措施有：
1）高效膨润土降阻防腐剂法；
2）阴极保护法。
高效膨润土降阻剂法具有降阻、防腐和稳定接地参数等多项功能，适用于既需要降阻又需要防腐的场所；阴极保护法主要是保护接地体免遭腐蚀。
第三章低压配电系统的保护接地系统与接地接零
3.1低压配电系统的接地
在三相四线制中接地和接零是一个概念，而在三相五线制中，系统接地和接零是分离的。
变压器中性点N线直接接变压器的接地网上，是功能性接地。
在电气装置外露金属部分如外壳接地，是通过PE线直接接到接地网和接地极上，为保护接地。
保护线与中性线从某点分开就不允许有任何联系，其目的有以下两点：
其一是为了使漏电电流动作保护能正确动作；其二是为了使保护线上没有电流流过，以保证把保护线乃至设备外露可导电部分的电位限制在较低水平，以利安全。
至于中性线也应采取与相线绝缘水平相同导线，是为了避免系统的杂散电流对中性线产生影响，以保证漏电电流动作保护装置正确动作，同时也有利于人身安全（同时即使在三相平衡条件下，由于三次倍数以上的谐波影响中性线上仍有相当大的电流流过，因此也是伴随着电压存在。
）这就是设计中，保护线和中性线分开，就不允许有任何联系的原因。
3.1.1低压配电系统接地的形式
低压配电系统接地形式主要有TN系统、TT系统及IT系统，现就其分类及应用阐述如下：
TN系统：
电源中有一点（通常是中性点）直接接地，负荷侧的建筑物电气装置的外露导电部分，通过保护线（即PE线包括PEN线）与接地点连接的系统。
我国低压配电网中大多数采用TN系统，在该系统中，电路或设备要达到运行要求，变压器低压中性点就应该接地，该接地称为工作接地或配电系统接地。
工作接地的作用是保持系统电位的稳定性，既减轻低压系统由高压窜入低压等原因所产生过电压的危险性，主要保护设备的正常运行。
在这里，由于N线与PE线是连通的，都经主接地线连至主接地体。
而N线与PE线分开后一般就不再合并，特别是装有漏电保护开关的线路中。
按照中性线（N）与保护线组合情况，TN系统分为以下三种情况：
TN-S系统，保护线与中性线分开（如图
（1））。
TN-C系统，保护线与中性线共用一线（如图
（2））。
TN-C-S系统，一部分保护线与中性线合一（如图（3））。
2TT系统：
电源有一点（通常是中性点）直接接地，装置外露导电部分接至电气上与电源接地无关的接地板的系统。
3、IT系统：
是电源与接地绝缘或通过阻抗连接。
而装置的外露导电部分则接地的系统。
3.1.2各种接地形式的配电系统应用
系统名称
适用范围
TN-C系统
在一般三相负荷基本平衡，有专职电工负责维护管理电气装置的工业厂房
TN-S或TN-C-S系统
在单相实验负荷较大和有可控硅负荷的科研实验单位
TN-S系统
附近有变电所的高层建筑
TN-S、TN-C-S、TT系统
电子计算机房、生产和使用电子设备的厂房，当电子计算机和电子设备本身未指出接地形式时
TT系统
负荷小而分散的农村低压电网
TT、IT、TN-S系统
在火灾和爆炸危险厂房中
TT、IT、TN-S系统
在城市公用低压线路供电的民用建筑工厂，应按供电部门的规定采用TT系统；由本单位自设变压器，供电和管理的居民区民用建筑可采用TN-C-S系统
IT系统
对不间断供电要求的某些厂所（矿山井下）宜采用
3.1.3配电系统接地要求
电气装置的外露导电部分应与保护线连接；能同时触及的外露导电部分应接至同一接地系统；建筑物电气装置应在电源进线处作等电位联结。
TN系统
1、电气装置的外露导电部分应采用保护线与电力系统的接地点即中性点连接。
如果电力系统的中性点不可能得到或不可能达到，即可在变电所将一根相线接地，但严禁此相线作为保护接地线使用。
2、保护线应在电气装置的每台电力变压器或发电机的靠近处接地，则发生接地故障时可使保护线的电位尽量接近地电位。
但如果高层建筑等大型建筑物中，为保护线增设接地点实际上是不可能时，可将保护线与装置外露导电部分做等电位连接也具有相同的作用。
同理，保护线宜在进入建筑物处做重复接地。
3、应装设能迅速自动切除接地故障的保护电器。
TT系统
1、共用同一保护电器保护的所有电气装置的外露导电部分，应采用保护线与这些外露导电部分共用接地极相互连接。
当几套保护电器串联使用时，此要求分别适用于每套保护电器保护的电气装置外露导电部分。
2、应装设能迅速切除接地故障的保护电器。
3.1.4保护线及保护中性线
保护线是指回路（电气回路）保护线即PE、PEN线，不包括与装置外露导电部分连接的等电位联结线和与接地极联接的接地线。
具有保护线和中性线两种作用的接地导体称为保护中性线（PEN）。
保护线截面的确定
1．1热稳定
保护线应能承受流过接地故障电流产生的热效应。
按热稳定，保护线的截面，应大于或等于
1．2机械强度
保护线截面应有足够的机械强度，若不是采用电缆，则：
当有机械保护时，2．5mm。
；当无机械保护时，4mm。
。
当保护线为PEN线时，则应铜线10mm，铝线sl6mm，若采用符合标准的同心电缆，其截面可以是4mm!
。
1．3防止间接电击
按低压配电设计规范的规定，为防止间接电击危险，在220V／380V的TN系统中，对于手持式电器，故障时应小于0．4S切断供电；对于固定式电器，应小于5S切断供电。
因此，其故障回路的截面应按下式进行校验：
式中：
Zs～故障回路线的阻抗；
Uo～对地标称电压；
Ia～保护电器的动作电流。
手持式电器切断供电时间的确定与接触电压的数值有关，因此，对保护线截面的选择也有影响。
220v／380V的TN系统，按IEC1200／413文件的计算说明，相线与保护线截面之比应在l～3的范围内。
1．4其它因素
例如应适应敷设场所环境与功能的要求：
如在有腐蚀介质的环境，需考虑加大保护线截面；又如在三次谐波含量特大的线路，其PEN线的截面甚至需要大于相线的截面。
多芯塑料电缆或护套线的一根芯线或穿管绝缘电线作保护线时，铝芯为76，铜芯为115;将绝缘电线紧贴电缆外皮时铝芯为95，铜芯为113。
保护线的最小截面
相线截面Smm2
保护线截面Smm2
S16
S
16＜S35
16
S＞35
S／2
保护中性线的截面确定
保护中性线的截面首先满足关于保护线截面的所有要求之后，再按以下要求确定：
（1）当采用单芯导线做配电干线的PEN时，铜芯导线截面积不应小于10mm2，铝芯不应小于16mm2。
（2）当采用同芯中性线型电缆的同芯中性线芯作配电干线的PEN线,且其全长上所有的接头及端子都是双重持续性连接时,则最小的截面可为4mm2,无此电缆时也可采用单芯电缆的芯线,其最小截面也为4mm2。
3.2接地系统
3.2.1接地系统的构成
接地极：
埋入地中与大地紧密接触并与大地形成电气连接的一个或一组导电体，称为接地极。
人为的接地极称为人工接地极。
例如：
为达到接地目的，人工埋入或打入大地的钢管、角铁、扁钢、钢板、铜板等。
兼做接地极用的直接与大地接触的金属构件，金属井管，建筑物的钢筋混凝土基础内的钢筋等称为自然接地体。
接地线：
由电气装置的总接地端子或接地干线接至接地极的，在正常情况下，不载流的导体称为接地线。
总接地端子：
建筑物电气装置应在电源进线处设置总接地端子（接地母排），以便与接地线，保护线，等电位联结干线，功能性接地线（如需要时）连接。
3.2.2接地系统的要求
在使用期内接地系统的性能和接地电阻值，应满足电气装置在保护性和功能性两方面的要求。
构成接地系统的导体应能承受接地故障电流和接地泄露电流，并满足稳定性的要求，并应不小于下表：
表3.2.2接地系统的接地体和接地线的最小规格
类别
地上
地下
室内
室外
圆钢直径（mm）
6
8
10
扁钢
截面mm2
24
48
68
厚度mm
3
4
4
角钢厚度mm
2
2.5
4
钢管壁厚mm
2.5
2.5
2.5
接地设施应具有足够的机械强度或设置附加的机械保护。
3.3保护接地和保护接零的方式选择
根据用户所在的供电系统，正确选择接地保护和接零保护方式。
电力客户究竟应该采取何种保护方式，首先必须取决于其所在的供电系统采取的是是何种配电系统。
如果用户所在的公用配电网络是TT系统，客户应该统一采取接地保护；如果客户所在的公用配电网络是TN-C系统，则应统一采取接零保护。
TT系统和TN-C系统是两个具有各自独立特性的系统，虽然两个系统都可以为用户提供220/380V的单、三相混合电源，但它们之间不仅不能相互替代，同时在保护措施上的要求又是截然的不同。
这是因为，同一配电系统里，如果两种保护方式同时存在的话，采取接地保护的设备一旦发生相线碰壳故障，零线的对地电压将会升高到相电压的一半或更高，这时接零保护（因设备的金属外壳与零线直接连接）的所有设备上便会带上同样高的电位，使系统中所有的设备外壳等金属部分均呈现出较高的对地电压，从而危及使用人员的安全。
同一配电系统只能采用同一种保护方式，两种保护方式不得混用。
用户必须懂得什么叫保护接地，正确区分接地与接零保护的不同点。
保护接地是指家用电器、电力设备等由于绝缘的损坏可能使得其金属外壳带电，为了防止这种电压危及人身安全而设置的接地称为保护接地。
将金属外壳用保护接地线（PEE）与接地极直接连接的叫接地保护；当将金属外壳用保护线（PE）与保护中性线（PEN）相连接的则称之为接零保护。
3.4接地的施工
3.4.1施工注意问题
当自然接地极的接地电阻值和电气连续性符合变流电力设备接地的要求时，一般可不另设人工接地极。
当采用人工接地极并同时利用自然接地极时，应使二者的连接处便于分开，以便测量各自的接地电阻值。
当采用人工接地网和外引接地极时，应采用至少二根埋地导体，在不同地点与人工接地网相连。
不可采用敷设在大地中的铝裸线导体做人工接地极。
为了测量接地系统的接地电阻，应在接地线上方便处设置断接装置，此装置应能方便地与总接地端子或接地母线连接，此连接处必须用工具方可断开，并应具有牢固的机械强度并能保持电气的连续性要求。
3.4.2接地系统的连接
接地线与接地极的连接及其自身的连接应牢固。
钢接地线连接处应焊接，如采用搭焊，其搭接长度必须不小于扁钢宽度的2倍或圆钢直径的6倍。
携带式用电设备的插座上各具有未用的接地触头，且所用的插销的结构应能避免将带电触头误作接地触头使用，插座和插销的接地触头应在导电触头接触之前接通，在导电触头脱开后才断开。
电力设备每个接地部分应以单独的接地线与接地干线相连接，严禁在一条接地线上连接几个需要接部分。
在照明配电工程中当采用TN-C系统供电时N线或干线不应设接线端子板（排），当采用TN-C-S系统时，一般应在建筑物进线插接箱、配电箱内分别设置N母线排和PE母线排并自此分开。
电源进线的PEN线应先接到PE母线上，再以连接板或其它方式与N母线相连，N线应与地绝缘。
PE线应采用专门导线并应尽量靠近排线敷设。
接地体（线）的连接应采用焊接并应符合下列几点：
1、接地体连接线（接地母线即连接垂直接地体之间的扁钢）常规采用一40X4镀锌扁钢，最小截面积不小于l00mm2、厚度不小于4mm2；
2、扁钢敷设前应先调直，然后将扁钢垂直放置于地沟内，依次将扁钢在距接地体顶端大于50mm处与接地体用电（气）焊接牢固。
3、为使连接线的扁钢与接地体接触严密，应先按接地体外形制成弧形或三角形，用卡具将连接线（扁钢）与接地体相互接触部位固定后，再焊接牢靠。
4、焊区的焊缝应饱满并有足够的机械强度，不得有夹渣、咬肉、裂纹、虚焊和气孔等缺陷。
焊好后应清除药皮、刷沥青做防腐处理。
为将接地体连接线引至墙体（或基础）需留有足够的连接长度，以待与引下线连接用。
3.4.3接地电阻的测试方法
1、接地电阻测试仪的选用及接线
（1）接地电阻测量仪，常用的有ZC-8型和ZC-29型。
常规用的ZC-8型测量仪，主要由手摇发电机、电流互感器、滑线电阻及检流计等组成，其全部机构
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