接地技术交流3 10.docx
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接地技术交流310
接地技术交流
接地设计是个较复杂的问题，与接地有关的参数：
土壤电阻率，接地装置材料，接地装置的形状等。
土壤电阻率不均匀是绝对的，均匀是相对的；材料是钢材还是铜材，钢铜材都具有外电感，而钢材还有内电感，内电感量与电流大小有关，也就是说钢材内电感呈非线性；接地装置形状不同，计算公式不同，其精度也不相同。
这些都给接地设计的计算带来很多困难。
目前接地电阻的解析计算公式，都是在均匀土壤下按等电位体（忽略接地体本身的电阻、电感）推导的，而且电流是从接地网中心流入。
非均匀土壤仅推导出两层或三层的简化公式，即使采用接地计算程序计算也是不精确的，因无法考虑钢材非线性电感。
故接地电阻的计算是近似的，对所有竣工工程都必须要进行接地电阻测量。
首先接地电阻测量方法要正确，若测量方法不正确所带来的误差也是很大的，即使测量方法正确也是有一定的误差。
接地计算造成误差的主要原因是没有正确的选取散流介质的电阻率和正确的计算公式。
有时会产生成倍或成几十倍的误差。
关键是如何客观的反映散流介质的电阻率和合理的计算公式或计算程序，这就必须对接地的一些基本慨念有正确的理解。
1.基本慨念
1.1名词术语及要求
（1）接地（grounding）将电气装置的某些部分用导体（接地线）与埋设在土壤中或水中的金属导体（接地体或接地极）相连接。
接地分类：
按其作用不同分为工作接地、保护接地、防雷接地和防静电接地四种。
工作接地电气设备因为正常工作或排除故障需要的接地。
保护接地当电气设备的绝缘发生损坏时，其金属外壳或架构可能带电，为防止这种电压危及人身安全的接地。
防雷接地为防雷保护装置泄放雷电流入大地的接地。
防静电接地为防止静电危险影响的接地。
低压电力系统中的接地、接中性线、接保护线在中性点直接接地的低压系统中，电力设备外壳可采用接地，可直接与接地装置连接。
也可采用接中性线保护或接保护线保护，即将外壳与中性线或保护线相连接。
低压供电系统接线有三种型式：
三相三线制；三相四线制；三相五线制。
见图1。
（a）（b）（c）
图1低压供电系统接地方式
（a）三相三线制（b）三相四线制（c）三相五线制
水力发电厂内低压供电系统仅采用三相三线制和三相四线制，而不采用三相五线制，因整个接地装置就是保护线。
所有设备的保护接地采用接地保护方式，当电厂向外供低压电时（用户已在电厂接地装置系统以外），可采用三相四线制或三相五线制。
当电厂内需要供三相电源时采用三相三线制。
但给桥机供三相电源时，桥机上滑动部分内低压设备的接地是通过保护线接地，保护线从就地的接地装置引出。
保护线在正常运行时是不流过电流。
需要供单相电源时，采用三相四线制，第四根线为中性线，中性线正常运行时是要流过电流。
（2）接地电阻（groundresistance）电流I经接地体流入大地时接地体的电位U和I的比值。
在工频（或直流）电流经接地体流入大地时，接地电阻即为接地体到无穷远处的土壤（含河水）的总电阻。
在冲击电流经接地体流入大地时，接地体上最大电压出现的时刻不一定是电流最大的时刻，接地体上的冲击电压和对应时刻的冲击电流的比值为冲击接地阻抗，它是随时间变化的。
工程应用为了方便起见，将接地体上的冲击电压最大值和冲击电流最大值之比称为冲击接地电阻。
大接地短路电流系统大接地短路电流系统接地电阻应满足R≤2000/I（I为入地电流）或R≤5000/I。
I＝（Imax-Iz）（1-kf1）或Iz（1-kf2）。
Imax－最大短路电流，Iz－回变压器电流，kf－分流系数。
小接地短路电流系统小接地短路电流系统高、低压电力设备共用一个接地装置，接地电阻应满足R≤120/I，R不得大于4Ω；仅高压电力设备用接地装置，接地电阻应满足R≤250/I，R不得大于10Ω。
低压系统低压电力设备接地装置的接地电阻不宜超过4Ω。
线路杆塔电厂内架空线路杆塔接地电阻应满足接地导则表5.4.1要求。
杆塔辐射形接地体长度：
ρ≤500Ωm，40m；ρ≤2000Ωm，80m；ρ≤5000Ωm，100m。
（3）土壤电阻率（earthresistivity）单位体积的正立方体相对两面间土壤的电阻，单位为m。
土壤电阻率主要与土壤中所含的水分及电解质有关，温度对离子的活动及含水量有影响，从而对土壤电阻率也有很大的影响。
土壤电阻率是计算接地电阻和设计接地装置的基本数据。
（4）接地装置（earthingdevice）接地体和接地线的总称。
接地体指埋入地中并直接与大地接触的金属导体，也称接地极，包括各种金属构件、金属井管、钢筋混凝土建筑物的基础等自然接地体。
接地线指将电力设备、架构或杆塔与接地体连接用的金属导体，也称接地引下线。
严禁利用预应力钢筋作为接地引下线。
（5）接触电位差（touchpotentialdifference）电流自接地电极经周围土壤流散时，会在土壤中产生压降并形成一定的地表电位分布，在地面上离设备水平距离为0.8m处与设备外壳、架构离地面的垂直距离1.8m处两点间的电位差。
（6）跨步电位差（steppotentialdifference）电流自接地电极经周围土壤流散时，会在土壤中产生压降并形成一定的地表电位分布，地面上水平距离为0.8m的两点间的电位差。
（7）接地装置的工频参数测量（powerfrequencyparametermeasurementforearthingdevice）接地装置的工频接地电阻和接触、跨步电位差以及接地装置周围的土壤电阻率和水电阻率的测量。
接地电阻测量打一个电流极入地，使电流由被测接地装置及电流极形成回路；再打一个电压极入地，以便测量接地装置的电位。
应避免电流极引线与电压极引线之间互感的影响。
电流极引线及电压极引线分别独立接在被测接地装置的两点上，以消除连接点接触电阻对测量结果的影响。
发电厂、变电所接地网接地电阻的测量电极布置为任意夹角法。
电压、电流极与地网边缘之间的距离d12、d13一般取为地网最大对角线D的4～5倍。
为消除外界与地中电流、电压对测量的干扰，需采用电源倒相法进行测量。
测得的接地电阻可按下式计算：
式中：
U0、I0──开断电源，接通电流线后测量的干扰电压、干扰电流，V、A；
U1、I1──接通电源后测量接地网电压、电流，V、A；
U2、I2──倒相后测量接地网电压、电流，V、A。
并对布置电极所带来的测量误差按下式进行修正
式中：
D──被测接地网的最大对角线长度，m；
d12──接地网边缘和电压极之间的距离，m；
d13──接地网边缘和电流极之间的距离，m；
θ──电压极与电流极之间的夹角，°；
R──接地电阻测量值，Ω；
R0──接地网的接地电阻，Ω。
直线法和30°夹角法是任意夹角法的特例。
直线法测量时，首先要避免电流线与电压线的互感，电流线与电压线平行间距离要有足够大，使互感引起的测量误差尽量的小。
其次电压极应在被测点与电流极的直线上。
被测点与电流极的距离为a,被测点与电压极的距离为b,电流极与电压极的距
离为a-b。
直线法的布极修正系数应为1，则布极修正公式有
，b2+ab-a2=0，
。
直线法也简称0。
618法。
由于电流线与电压线的互感带来测量的误差，有时带来成倍的误差，故水力发电厂一般不采用直线法测量。
30°夹角法是被测点与电流极和被测点与电压极的距离是相等的，其夹角近似为30°。
如被测点与电流极距离为a，30°夹角法的布极修正系数应为1，则布极修正公式有
，
，cosθ=0.875,θ＝28.955°≈30°。
由于30°夹角法在现场很难布极，一般水力发电厂也很少采用此法测量。
电力线路杆塔接地电阻的测量电极的布置可直线法d13一般取为接地装置最长射线长度L的4倍，d12取为L的2.5倍。
或任意夹角法。
测量时，接地装置应与避雷线断开。
电流极、电压极应布置在与线路或地下金属管道垂直的方向上。
对杆塔接地装置的范围不大于30m时，也可采用摇表法进行测量。
接地电阻测量中对季节影响的考虑不同季节土壤的含水量不同，接地装置的接地电阻是随季节不同而变化的。
一年中某一天测得的接地电阻不一定有代表性，应按导则中规定修正。
接触、跨步电位差测量接触、跨步电位差的测量接线见图。
应与接地电阻测量同时进行。
电阻率测量对接地装置所在地的土壤或水电阻率进行的测量。
土壤电阻率测量土壤电阻率测量应避免雨后立即进行，一般宜在连续天晴三天后或在冬天干燥季节进行测量。
在冻土区，测量电极必须打入冰冻线以下。
采用对称四极法进行土壤电阻率的测量时，四个测量电极位于同一深度等间距的一条直线上，
水电阻率测量测量水电阻率宜采用四极法，电极入水深度h不应大于极间距离a的1/20，极距可从水深1/10～1/20开始测量，测得的视电阻率曲线水平段为水电阻率。
也可取流动的水用电导仪进行测量。
1.2工频接地电阻
正确理解一些接地的物理慨念，可以采用均匀土壤和特除形状的接地装置进行计算是可以得到一些正确的基本慨念。
1.2.1计算均匀土壤中半球体的接地电阻
；
；
=0.857R；
=0.889R；
=0.901R；
=0.9524R。
从以上计算结果可以近似得出水平接地网的以下结论；
（1）在2倍地网直径范围内，已达80%的接地电阻；5倍时，已达90.1%。
（2）地网外地电位较快的衰减，1倍地网直径衰减到33.3％，2倍地网直径衰减到20％，在2倍地网直径外衰减就缓慢。
跨步电位差就发生在接地网边外处。
（3）接地网面积越大，遇到的土壤电阻率范围越大，需要测量的电阻率范围越广，深度越深。
1.2.2计算接地网的接地电阻
（1）计算圆盘的接地电阻（不推导公式）
R＝ρ/4r=
（2）复合接地装置的接地电阻的计算
R误差±2％
（3）估算接地网的接地电阻的公式
R≈
或R≈
1.2.3接地网的网孔多少对接地电阻值的影响
采用方形接地网，计算不同网孔的接地电阻值，以1个网孔接地电阻值为1，计算其他网孔的比例值。
见表1
表1不同网孔数接地电阻值的比值
接地网面积m2
1网孔
4网孔
9网孔
16网孔
25网孔
36网孔
100×100
1.00
0.8479
0.7783
0.7389
0.7140
0.6975
300×300
1.00
0.8295
0.7501
0.7045
0.6754
0.6562
500×500
1.00
0.8222
0.7387
0.6906
0.6598
0.6396
除均压网外，其他接地网的网孔数不宜超过16个网孔。
1.3冲击接地电阻
1.3.1冲击接地的规律
一个带状接地体可用链型回路来描述，如图2。
图2一个带状接地体的等值链型图
一个长度为l的带状接地体可近似用图3的结线表示。
图3带状接地体的近似等值结线图
任何一个接地装置投入直角冲击波时，接地装置所呈现的冲击阻抗随时间的变化过程，可以近似用下式描述：
式中v=1/
=1/
=1/
=C/
C为光速，εr＝4～9，电流在接地网上的速度为光速的1/2～1/3，即150m/μs～100m/μs。
T＝2l/v为波在接地带上一个来回的时间，当波在接地体上3个来回时，即t＝3T时，接地体的冲击阻抗就接近工频接地电阻。
（1）波阻抗
接地装置在直角波作用下，在t=0时，接地装置所呈现的阻抗称为波阻抗。
1）水平带状接地体的波阻抗
一根水平接地体的波阻抗为
。
一般L´=1.5～1.8μH/m，当
=9时，
Ω～180Ω。
如采用辐射的星形接地带，其波阻抗Z＝Z0/n（n为接地带根数，n≤4）。
总长为300m的接地带，以辐射形并联，在t=0时，为波阻抗。
当n=4时，Z0＝（150～180）/4＝37.5～45Ω。
见图4。
图4总长度相等的单射线和多射线带状接地体的冲击接地电阻
2）接地网（方格形布置，在交叉点上引流）波阻抗
接地网波阻抗在四条辐射接地带波阻与圆盘接地体波阻之间。
①圆盘接地装置的波阻抗
圆盘电容：
C＝4rε，单位电容C´＝C/r＝4ε。
圆盘接地体波阻为：
＝
当εr＝9时，Z0＝10π＝31Ω。
②接地网波阻抗
在静电场中根据计算电容的公式，可写出接地电阻R的公式：
R＝ερ/C，接地网估算公式为R＝0.5ρ/
，从两式可得1/C＝0.5/ε
＝0.5/εr
。
接地网波阻抗为：
当εr＝9时，Z0＝20
＝35Ω。
（2）雷电流在接地体上的分布
在不同参数下的带状接地体的电流分布见图5，在一定土壤电阻率的条件下，水平接地体的冲击系数大小与接地体长短有关，接地体越长冲击系数就越大。
这主要是接地体被利用的程度有关，如雷电流波头为3μs，土壤电阻率为120Ωm，参数为100，接地体为75m时雷电流为0，如土壤电阻率为1200Ωm，参数为10，接地体为210m时雷电流才为0。
图5在时间t=TS时，一个带状接地体内的电流分布
（3）带状接地体的最小长度
就竞带状接地体至少必须有多长，才能使从终端反射回来的波不大于接地体首端电流的5％。
带状接地体的最小长度可从图6计算得到，根据参数求得m，再按Lmin＝mvTs计算出。
这样接地体可得到充分利用。
图6一个带状接地体的冲击接地电阻Rst和波阻Z的比值
对于土壤电阻率ρ与冲击电流波头时间TS的依赖关系
（4）垂直接地体的作用
垂直接地体在不同位置上所呈现的冲击阻抗变化过程如图7所示。
工频接地电阻相同，但冲击阻抗波过程不一样，冲击接地电阻也不相同。
图7垂直接地体和带状接地体在直角冲击波作用下的冲击接地电阻
（5）冲击电流的火花过程
雷电流幅值的大小，将直接影响火花放电的大小，也影响冲击接地电阻值。
雷电流越大，冲击接地电阻就越小，从图8可以看出。
随着雷电流不断增大，冲击接地电阻减小呈饱和趋势。
这可从图9看出。
单根接地体的火花过程比多根接地体并联的火花过程大，也就是单根接地体的冲击系数比多根并联的冲击系数小。
但冲击接地电阻绝对值还是多根并联接地体小。
图8直径为6mm，长度为110m的圆钢制成的带状接地体的冲击接地电阻
1－冲击电流为450A；2－冲击电流为3600A；3－工频电流场合（R＝32Ω）
图9单独的和并联的垂直接地体的冲击接地电阻
工频接地电阻：
F－R＝23～27Ω：
G－R＝22～25Ω；H－R＝22～30Ω；
I－R＝22～30Ω；F＋G＋H＋I－R＝8.4～11Ω。
1.3.2接地体冲击接地电阻
（1）带状接地体冲击接地电阻
一般雷电流波形都具有波头时间，并非直角波，具有波头的雷电流作用在接地装置上所呈现的冲击接地电阻，定义为冲击电压幅值与冲击电流幅值之比。
两幅值并不出现在同一时间，如图10下图。
在我们的试验测试，电流在100A以上都与图10下图相同，因我国接地所采用材料为钢材，电感量大。
而国外大都采用铜材，在小电流下如图10上图，若钢材的集中接地装置（其电感分量是很小的）也可能为图10上图。
图10埋在潮湿的沃土中（ρ＝125Ωm）的模型接地体上用小的和大的冲击电流
所测量的电流和电压波形
一个带状接地体的冲击接地电阻Rst和波阻Z的比值对于土壤电阻率ρ与冲击电流波头时间Tc的依赖关系，如图6。
带状接地体冲击接地电阻可按图6计算得到，根据参数求得Rst/Z，可计算出接地体冲击接地电阻值。
雷电流波头越长冲击接地电阻越小；电阻率越大冲击接地电阻也越大。
这从图11也可看出。
图11两射线带状接地体（耦合线）在波头时间TS以后在斜角波作用下的冲击接地电阻
（2）长孔接地网的冲击接地电阻
根据图6中Rch/Z曲线可以用对数公式表达，简化后可得
Z0＝75Ω～90Ω，取平均值Z0＝83Ω，
＝9，Tc＝3μs，ρ≤5000Ωm时，整理上式得：
（3）方格接地网的冲击接地电阻
将图5中横坐标的参数
代换为
，那么图5中Rst/Z曲线就成为接地网的冲击接地电阻与波阻抗比值曲线。
可用接地网的波阻代替单根水平接地体的波阻计算出接地网的冲击接地电阻：
Rch＝
取Z0＝35Ω，
＝9，Tc＝3μs，ρ≤5000Ωm时，整理上式得：
2.有关问题
2.1入地短路电流的计算
（1）系统最大运行方式下，用系统等值阻抗和电站等值阻抗来计算单相短路电流。
①与选择断路器有关；②与计算入地短路电流有关；③与计算流入变压器中性点电流有关。
这里介绍②、③两点
（2）计算入地短路电流当地网内短路时，本电站提供的短路电流从接地网流入变压器中性点。
系统提供的短路电流，一部分由线路避雷线分流，另一部分通过接地网流入地中，这两部分电流将流向系统中接地变压器的中性点；当地网外短路时，本电站提供的短路电流，一部分由线路避雷线分流流入电站接地网，另一部分通过大地流入电站接地网，这两部分电流流入本电站变压器中性点。
电站地网设计应以最大入地电流控制。
（3）流入变压器中性点的电流，系统最大运行方式已有数据，但还需校核在最大运行方式下，变压器中性点可能接地的最少台数，因电站变压器台数减少的比例并不等于单相短路电流减小的比例，很可能变压器中性点电流增大。
2.2土壤电阻率取值
土壤电阻率取值本身是个非常困难的事，土壤电阻率不均匀是绝对的，均匀是相对的，通常电阻率测量采用物探四极法，测出视电阻率曲线，如果是原土壤，可以将土壤分成几层。
如果是回填土，可测出不同的断面，计算断面的电阻率加强平均值，然后将几个断面再加强平均。
2.3接地网地表面电位分布
等间距均压网，网孔电位是不等的，其最大接触电位差发生在边网孔。
不等间距均压网，网孔电位是相等的，其最大接触电位差发生在任何网孔中。
均压网外的电位分布基本是差不多的。
2.4接地电阻估算公式的分析
水平接地网的接地电阻估算公式为R≈
或R≈
＝
。
按复合接地体的接地电阻计算公式，当正方形接地网
=90m2时，B≈0.961，第二项为ρ/L时，第一项为0.418ρ/
当L1/L2＝8时，第一项为0.322
，则R＝（0.322～0.418）
，故后者的估算公式偏大，而常用前者的估算公式，即R≈
。
2.5接地电阻放宽到5Ω的依据
在1976年接地技术规程颁布前，开审查会时，我代表水电系统反映，由于水电站地处山区，土壤电阻率很高，很多水电站接地电阻都不满足规程要求，一般都在3Ω多、4Ω多，对水电站高土壤电阻率地区应以放宽。
故会上同意将高土壤电阻率地区电阻接地电阻放宽到5Ω。
其实电阻本身是打不死人的，目前的公式以地网电位2000V是合理的，对大接地短路电流系统接地电阻为0.5Ω也取消了。
对人身产生和设备危害是取决于接地装置的电位，接地装置电位升高是会受到各种限制的。
如低压电气设备和继电控制设备的反击、对通信设备的反击、对高压引外、低压引内的影响等。
尤其对钢接地材料接地装置更需限制电位升高。
2.6接触、跨步电位差
（1）接触、跨步电位差允许值
在大接地短路电流系统中允许接触、跨步电位差为：
Ej＝（174+0.17ρb）/
；
Ej＝（174+0.7ρb）/
。
在小接地短路电流系统中允许接触、跨步电位差为：
Ej＝50＋0。
05ρb；Ej＝50＋0。
2ρb。
（2）均压网设计
均压网布置有均压带等间距和不带等间距布置两种。
等间距布置网孔的接触电位差是不相等，从中间向边缘，网孔接触电位差逐渐增大。
不等间距布置各网孔接触电位差是相等，其均压网布置为边网孔至中间网孔的结论逐渐增大。
在不可能有接触电位差的地方，网孔的距离可以大些。
在接地网边缘跨步电位差最大的地方，若跨步电位差对人有危险时，应设置围墙或设置帽檐，最大接触、跨步系数是通过计算而得。
2.7工频反击计算
允许提高接地网的电位，但不一定会提高计算的接触、跨步电位差，只有提高允许接触、跨步电位差后，才可提高计算的接触、跨步电位差。
提高接地网的电位后，工频反击电压还需验算。
国内有允许接地装置电位升高的试验（低压电缆、控制电缆和继电器的工频伏秒曲线等）。
同时国内也有水电站雷电反击电压试验的实测。
接地网的接地电阻满足R＝2000/I时，可不校验反击。
低压设备工频耐受电压为2000V。
对3kV～10kV避雷器也不需要校验，因避雷器的工放下限或耐受电压是可以不动作的，避雷器两端承受的电压仅为U＝1.8×RI+Uxg＝3.6+2.08＝5.68。
小于3kV无间隙金属氧化物避雷器的耐受电压6.25kV。
当不满足R＝2000/I时，也要限制地网电位的升高。
因有低压电缆和控制电缆，还有继电器、控制和低压设备。
当地网电位升高后，需要校验反击电压。
对低压设备采用减小接地网上的电位差，以减小低压设备上的电位差。
同时电站3kV～10kV避雷器不应损坏。
系统标称电压
kV
碳化硅阀型避雷器FZ
无间隙金属氧化物避雷器YW
工放下限
kV
接地电阻值
Ω
耐受电压
kV
接地电阻值
Ω
3
9
R≤3.85/I
6.25
R≤2.32/I
6
16
R≤6.58/I
12.50
R≤4.64/I
10
26
R≤10.6/I
21.25
R≤7.95/I
注：
无间隙金属氧化物避雷器1S耐受电压为1.25Ur。
2.8分流系数计算
分流系数是通过计算而得，分流系数计算分散性大是正常的，分流与多因数有关，如短路时接地装置电位升高大小、避雷线的材料、线路所经地段的土壤电阻率、线路杆塔塔头尺寸和线路档距等有关。
过去水电系统对分流系数有过取值，如地网内短路分流系数取0.5，地网外短路分流系数取0.1。
取值是不正确的，还是是需要通过计算获得分流系数，现在水电系统对分流系数还是进行计算。
2.9不同接地方式高压配电装置共用一个接地网的设计
接地网的接地电阻应按最小值确定，不同区域可以选择接地装置的导体截面不同而已，但要考虑接地体的腐蚀问题。
高压配电装置区域接地装置截面为0.7倍引下线的截面。
其他区域决定电压等级和故障电流的大小，对不接地系统要考虑两相异地故障，同样为0.7倍引下线的截面。
低压系统接地装置不小于0.7倍中性线等效截面。
2.10砾石、沥青路面使用场合
砾石、沥青路面一般用在人经常路过的独立避雷针，在避雷针3m范围设砾石或沥青路面。
其次用在接触电位差很大而又无法减小的情况下，在人经过地方敷设砾石或沥青。
后者我们一般不用。
人经常路过的地网边缘应设置帽沿。
引外接地需考虑跨步电位差问题。
2.11深埋垂直接地体的作用
深埋垂直接地体的作用要看两个方面的因数：
1）深埋垂直接地体的尺寸与接地网面积的关系；2）深埋垂直接地体布置的位置。
半球体接地极的接地电阻比圆盘体接地极的接地电阻小36％，如深埋接地体的尺寸较小，对接地电阻减小作用不大；如深埋接地体布置在接地网中央就更没有作用。
深埋接地体应布置在接地网边缘或外恻，深埋接地体的尺寸与接地网的尺寸相比有足够的长。
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