變電站接地網入地故障電流的研究

遠 飛

（無錫商業職業技術學院，江蘇無錫214153）

當電力系統發生接地故障或有大電流入地時，如果變電站接地網電阻較大，根據歐姆定律，大電流乘以較大的接地電阻，會造成地電位升高，從而危害設備及人員安全。為了有效保護變電站的電氣設備和人員安全，保障電力系統正常運行，將變電站接地電阻限制在一定水平是很必要的。然而需要把接地電阻限制到多大，與入地故障電流的大小有關系。下面就不同的接地系統，給出接地電阻的要求和入地故障電流的計算方法[1-2]。

1 變電站對接地電阻的要求

當發生雷擊或者短路故障時，將有較大的入地電流產生，由于接地電阻的存在，則在變電站會產生較大幅度的地電位升高。地電位升高則會危及設備和人員安全，所以對接地電阻的大小有所限制。系統的接地方式不同，對接地電阻的要求不同，下面分兩大類分析對接地電阻的要求。

1.1 有效接地系統和低電阻接地系統[3]

交流電氣裝置的接地設計規范GB/T50065- 2011給出的公式是：

公式中R 為接地電阻，IG為計算用經接地網入地的最大接地故障不對稱電流有效值。

公式中的分子為2000，2000 V 是電纜和低壓儀表以及微機保護系統的耐壓水平。電纜的屏蔽層和設備的外殼都已接地，如果地電位升高到2000 V 以上，則可能擊穿電纜和設備的內絕緣。當變電站的接地網電阻很難達到這個公式的要求時，可以采取一些措施，則只要滿足下式就可以了：

具體措施為：1）保護接地接至變電站接地網的站用變壓器的低壓側，應采用TN 系統，且低壓電氣裝置應采用保護等電位聯結接地系統。2）采用扁銅與二次電纜屏蔽層并聯敷設。扁銅至少在兩端就近與接地網連接。當接地網為鋼材時，防止銅鋼連接產生腐蝕。扁銅較長時，應多點與接地網連接。二次電纜屏蔽層兩端就近與扁銅連接。3）評估計入短路電流非周期分量的接地網電位升高條件下，金屬氧化物避雷器吸收能量的安全性。4）可能將接地網的高電位引向變電站外或將低電位引向變電站內的設備，采取防止轉移電位引起危害的隔離措施。5）驗算接觸電位差和跨步電位差，并通過實測加以驗證。

1.2 不接地、諧振接地和高電阻接地系統[3]

不接地、諧振接地和高電阻接地系統的接地電阻要滿足下式要求：

公式中Ig為計算用的接地網入地對稱電流，不接地、諧振接地和高阻接地系統單相接地故障后可以繼續運行較長時間，這段時間內非周期分量已經衰減至零，不需要考慮非周期分量，所以公式中不再使用入地不對稱電流IG。

2 諧振接地系統入地故障電流Ig

對于諧振接地系統Ig的算法分為兩類：本站裝有消弧線圈；本站沒裝消弧線圈。

2.1 本站裝有消弧線圈

圖1 站內安裝消弧線圈

正常運行時，本站中性點電位為零，地電位也為零，消弧線圈中沒有電流流過。如圖1 所示，當線路發生單相接地故障，本站中性點電位變還是零，消弧線圈兩端有的壓降，且方向向上，所以消弧線圈上產生的電流，其中XL為消弧線圈的電抗。IC為系統的電容電流，變電站消弧線圈通常過補償倍數為1.35，即。再取1.25的裕度系數，所以，即本站如果裝消弧線圈，則接地網的接地電阻需滿足：

2.2 本站沒裝消弧線圈

本站沒有接消弧線圈，如圖2 所示，則入地電流為Ig=Id=IC- IL，并要求Ig為系統中斷開最大一套消弧線圈或系統中最長線路被切除時的最大可能殘余電流。

圖2 站內沒裝消弧線圈

3 大電流接地系統入地故障電流IG[4- 5]

關于IG的計算分為變電站內短路和變電站外短路兩種情況進行分析，如圖3、圖4 所示。

3.1 變電站內短路

圖3 變電站內短路圖

變電站內發生單相接地故障，把接地網看作一個廣義的節點，節點電流有四個，分別為單相接地故障電流Imax、流向中性點的電流In、流向避雷線的電流和通過接地網流入大地的電流Ig，由基爾霍夫電流定律，有：

其中，Sf1為變電站內接地故障時的分流系數，與避雷線分流系數的和為1，即流向避雷線的電流為（Imax- In）（1- Sf1）。

3.2 變電站外短路

圖4 變電站外短路圖

同樣，把接地網看作廣義的節點，節點電流有三個，分別是中性點電流In、避雷線的電流和入地電流Ig。與站內短路不同的是，避雷線電流和入地電流的方向變了。站內短路時，短路電流流進接地網，以三個分支流出接地網。而站外短路，短路電流沒有直接流進或流出接地網，而是通過避雷線與大地有部分電流流到變電站的接地網，然后通過變電站的中性點進入線路流回到短路點。由基爾霍夫電流定律，In= 避雷線電流+Ig，

Sf2為變電站外接地故障時的分流系數，避雷線電流為In（1- Sf2）。

3.3 由Ig 計算IG

根據交流電氣裝置的接地設計規范GB50065-2011 附錄B.0.1 第3 款[3]，

4 結論

本文介紹了各類接地系統對接地電阻的要求，對入地故障電流進行了相關分析計算。通過接地系統示意圖，著重分析了直接接地系統與諧振接地系統接地網入地故障電流的計算，直觀明了。