變電站接地網的沖擊特性研究

湯 力，寧 驍，蘇 敏

（1.國網湖北省電力有限公司孝感供電公司，湖北孝感 432000；2.中乾立源工程咨詢有限公司漢陽分公司，武漢 430050）

引言

在電力系統的運行過程中，很可能會受到外界環境的干擾，其中雷擊是引發電力系統安全事故的一個重要原因[1]。當變電站受到雷擊時，雷電產生的雷電流可能會引發變電站事故，嚴重時可能會影響電力系統的安全穩定運行。因此，變電站的接地網接地保護成為了防止發生變電站雷擊事故的一大重要舉措[2]。

接地網敷設于地下，當變電站受到雷擊后，產生的雷電流會沿著接地網泄流，此時雷電流會在接地網周圍形成一個較大的電場。該電場作用于周圍土壤時，可能會使土壤發生非線性電離，進而影響接地網的沖擊特性[3]。基于此，本文首先闡述了變電站接地的作用，然后分析了土壤非線性電離的物理過程。基于上述研究，計算了不同因素影響下地表電勢的變化。

1 變電站接地網的作用

在電力系統中，為保障設備的安全與可靠，常需要對設備進行接地保護（見圖1）。當設備遇到雷擊時，產生的雷電流可以通過接地通道泄流，即可保證設備的安全。變電站的接地保護基本可分為以下4類[4]：（1）工作接地：為保障電力系統安全運行所設置的接地保護；（2）保護接地：為防止設備絕緣損壞所設置的接地保護：（3）雷電保護接地：為防止設備被雷擊而發生損壞所設置的接地保護；（4）防靜電接地：防止靜電對設備產生損害所設置的接地保護。

圖1 埋地電力電纜

2 土壤非線性電離的物理過程

根據電磁場理論，當電流流過導體時，會在其周圍產生一個電場，該電場的電場強度與電流的大小密切相關。因此，當變電站遭遇雷擊時，雷電流沿著接地導體泄流，此時雷電流會在接地導體周圍產生一個電場。隨著雷電流的增大，該電場的電場強度也隨之增強，導致接地導體周圍土壤的電阻率隨之減小。當雷電流達到一個閾值，即會將接地導體周圍的土壤發生非線性電離，進而擊穿。若此時該電場的電場強度還在繼續增加，則可能導致土壤出現電弧放電[5]。

3 不同因素影響下地表電勢分析

在對接地網沖擊特性的研究中，地表電勢的變化是一個重要內容。因此，分別對土壤電阻率、接地網埋深對地表電勢的影響展開研究。

3.1 土壤電阻率對地表電勢的影響

采用文獻[6]的地網模型，分別計算不同土壤電阻率對最大地表電位升、接觸電壓、跨步電壓的影響，計算結果如圖2～4所示。

圖2 土壤電阻率對最大地表電位升的影響

觀察圖2可知，隨著土壤電阻率的增大，地表最大電位升越高，同時隨著雷電流幅值的增大，地表最大電位升也呈現增大趨勢。同時接觸電阻與跨步電壓也呈現相同的變化趨勢（見圖3～4）。

圖3 土壤電阻率對接觸電壓的影響

圖4 土壤電阻率對跨步電壓的影響

3.2 接地網埋深對地表電勢的影響

為研究接地網埋深對地表電勢的影響，采用上述地網模型，分別仿真計算不同接地網埋深對最大地表電位升、接觸電壓、跨步電壓的影響，計算結果如圖5～7所示。

圖5 接地網埋深對最大地表電位升的影響

圖6 接地網埋深對接觸電壓的影響

圖7 接地網埋深對跨步電壓的影響

觀察圖5～7可知，隨著接地網埋深的增加，最大地表電位升和跨步電壓隨之增大，而接觸電壓呈現減小趨勢。而隨著雷電流幅值的增大，最大地表電位升、接觸電壓、跨步電壓均呈現增大趨勢。

4 結束語

變電站作為電力系統的關鍵一環，其可靠性直接影響了電力系統的安全穩定運行。為避免變電站因雷擊造成安全事故，變電站的接地網接地保護至關重要。為此，本文首先闡述了變電站接地的作用，然后分析了土壤非線性電離的物理過程。基于上述研究，計算了不同因素影響下地表電勢的變化，為后續變電站接地網的研究提供了一定的參考依據。