变电站接地网入地故障电流的研究

远 飞

（无锡商业职业技术学院，江苏无锡214153）

当电力系统发生接地故障或有大电流入地时，如果变电站接地网电阻较大，根据欧姆定律，大电流乘以较大的接地电阻，会造成地电位升高，从而危害设备及人员安全。为了有效保护变电站的电气设备和人员安全，保障电力系统正常运行，将变电站接地电阻限制在一定水平是很必要的。然而需要把接地电阻限制到多大，与入地故障电流的大小有关系。下面就不同的接地系统，给出接地电阻的要求和入地故障电流的计算方法[1-2]。

1 变电站对接地电阻的要求

当发生雷击或者短路故障时，将有较大的入地电流产生，由于接地电阻的存在，则在变电站会产生较大幅度的地电位升高。地电位升高则会危及设备和人员安全，所以对接地电阻的大小有所限制。系统的接地方式不同，对接地电阻的要求不同，下面分两大类分析对接地电阻的要求。

1.1 有效接地系统和低电阻接地系统[3]

交流电气装置的接地设计规范GB/T50065- 2011给出的公式是：

公式中R 为接地电阻，IG为计算用经接地网入地的最大接地故障不对称电流有效值。

公式中的分子为2000，2000 V 是电缆和低压仪表以及微机保护系统的耐压水平。电缆的屏蔽层和设备的外壳都已接地，如果地电位升高到2000 V 以上，则可能击穿电缆和设备的内绝缘。当变电站的接地网电阻很难达到这个公式的要求时，可以采取一些措施，则只要满足下式就可以了：

具体措施为：1）保护接地接至变电站接地网的站用变压器的低压侧，应采用TN 系统，且低压电气装置应采用保护等电位联结接地系统。2）采用扁铜与二次电缆屏蔽层并联敷设。扁铜至少在两端就近与接地网连接。当接地网为钢材时，防止铜钢连接产生腐蚀。扁铜较长时，应多点与接地网连接。二次电缆屏蔽层两端就近与扁铜连接。3）评估计入短路电流非周期分量的接地网电位升高条件下，金属氧化物避雷器吸收能量的安全性。4）可能将接地网的高电位引向变电站外或将低电位引向变电站内的设备，采取防止转移电位引起危害的隔离措施。5）验算接触电位差和跨步电位差，并通过实测加以验证。

1.2 不接地、谐振接地和高电阻接地系统[3]

不接地、谐振接地和高电阻接地系统的接地电阻要满足下式要求：

公式中Ig为计算用的接地网入地对称电流，不接地、谐振接地和高阻接地系统单相接地故障后可以继续运行较长时间，这段时间内非周期分量已经衰减至零，不需要考虑非周期分量，所以公式中不再使用入地不对称电流IG。

2 谐振接地系统入地故障电流Ig

对于谐振接地系统Ig的算法分为两类：本站装有消弧线圈；本站没装消弧线圈。

2.1 本站装有消弧线圈

图1 站内安装消弧线圈

正常运行时，本站中性点电位为零，地电位也为零，消弧线圈中没有电流流过。如图1 所示，当线路发生单相接地故障，本站中性点电位变还是零，消弧线圈两端有的压降，且方向向上，所以消弧线圈上产生的电流，其中XL为消弧线圈的电抗。IC为系统的电容电流，变电站消弧线圈通常过补偿倍数为1.35，即。再取1.25的裕度系数，所以，即本站如果装消弧线圈，则接地网的接地电阻需满足：

2.2 本站没装消弧线圈

本站没有接消弧线圈，如图2 所示，则入地电流为Ig=Id=IC- IL，并要求Ig为系统中断开最大一套消弧线圈或系统中最长线路被切除时的最大可能残余电流。

图2 站内没装消弧线圈

3 大电流接地系统入地故障电流IG[4- 5]

关于IG的计算分为变电站内短路和变电站外短路两种情况进行分析，如图3、图4 所示。

3.1 变电站内短路

图3 变电站内短路图

变电站内发生单相接地故障，把接地网看作一个广义的节点，节点电流有四个，分别为单相接地故障电流Imax、流向中性点的电流In、流向避雷线的电流和通过接地网流入大地的电流Ig，由基尔霍夫电流定律，有：

其中，Sf1为变电站内接地故障时的分流系数，与避雷线分流系数的和为1，即流向避雷线的电流为（Imax- In）（1- Sf1）。

3.2 变电站外短路

图4 变电站外短路图

同样，把接地网看作广义的节点，节点电流有三个，分别是中性点电流In、避雷线的电流和入地电流Ig。与站内短路不同的是，避雷线电流和入地电流的方向变了。站内短路时，短路电流流进接地网，以三个分支流出接地网。而站外短路，短路电流没有直接流进或流出接地网，而是通过避雷线与大地有部分电流流到变电站的接地网，然后通过变电站的中性点进入线路流回到短路点。由基尔霍夫电流定律，In= 避雷线电流+Ig，

Sf2为变电站外接地故障时的分流系数，避雷线电流为In（1- Sf2）。

3.3 由Ig 计算IG

根据交流电气装置的接地设计规范GB50065-2011 附录B.0.1 第3 款[3]，

4 结论

本文介绍了各类接地系统对接地电阻的要求，对入地故障电流进行了相关分析计算。通过接地系统示意图，着重分析了直接接地系统与谐振接地系统接地网入地故障电流的计算，直观明了。