背景

接地裝置不僅為各種電氣設備提供一個(gè)公共的參考地，而且在發(fā)生故障或雷擊時(shí)，能夠將故障電流或雷電流迅速散流，限制地電位的升高，保證人身和設備安全，因此接地是確保電力系統安全穩定運行的重要條件，其可靠性及安全性能一直受到設計和生產(chǎn)運行部門(mén)的高度重視。電力系統接地就其目的來(lái)說(shuō)可分為工作接地、防雷接地和保護接地3種。工作接地是為了降低電力設備的絕緣水平，如采用中性點(diǎn)接地的方式；防雷接地是為了避免雷電的危害，避雷針、避雷線(xiàn)和線(xiàn)路桿塔等都必須配以相應的接地裝置以便把雷電流導入大地；而電力設備為保證人身安全必須接地的情況則稱(chēng)為保護接地。

我國電力工業(yè)在未來(lái)15-20年內仍將保持快速增長(cháng)，而且西電東送和南北互供的全國聯(lián)網(wǎng)戰略的實(shí)現，均需建設大量超/特高壓輸變電系統。隨著(zhù)電壓等級提高的同時(shí)，輸送容量也越來(lái)越大，造成變電站的短路電流也相應的增加，從過(guò)去的幾kA已增加到63 kA；流經(jīng)接地網(wǎng)的電流頻率也非常豐富，不單有工頻故障電流，還有雷擊、操作、特快速暫態(tài)過(guò)電壓(VFTO)的高頻暫態(tài)電流；同時(shí)，二次系統在微機化、智能化的趨勢下，抗干擾能力卻很難明顯提高，因而對于變電站的接地網(wǎng)要求也更高。另一方面，接地網(wǎng)的面積在不斷增加，最大邊長(cháng)大于500米，地電位的均勻性越來(lái)越難以保證，覆蓋的土壤結構也越來(lái)越不均勻。與此同時(shí)，由于土地資源日益稀缺，變電站的地質(zhì)結構越來(lái)越復雜，高土壤電阻率、凍土、鹽堿土等特殊地質(zhì)條件給接地網(wǎng)的設計和運行維護帶來(lái)困難，因此要在入地電流大、占地面積大、接地體結構復雜、土壤電阻率分布不均勻的地區開(kāi)展接地設計與運行維護工作存在很多問(wèn)題。

與變電站接地網(wǎng)相一致，輸電走廊的緊張使得線(xiàn)路越來(lái)越向山區發(fā)展，雷擊等自然災害對線(xiàn)路的安全運行影響越來(lái)越大。提高輸電線(xiàn)路的耐雷水平、降低雷擊跳閘率對電力系統的安全運行有非常重要的意義。在其他因素一定的情況下，接地裝置的沖擊接地電阻值越低，線(xiàn)路反擊閃絡(luò )的概率也越低。因此，輸電線(xiàn)路接地裝置在雷電流作用下的沖擊暫態(tài)特性直接影響到輸電線(xiàn)路的防雷效果，是電力部門(mén)迫切需要解決的實(shí)際難題。

近年來(lái)的研究進(jìn)展

由于接地裝置需要設計、建設和運行維護，因此接地技術(shù)的研究貫穿于以上各個(gè)階段，包括安全指標、仿真分析、降阻措施、測試和評估等方面，在每個(gè)方面又需要從工頻和暫態(tài)等多個(gè)角度分析問(wèn)題，目前，對接地技術(shù)的研究已經(jīng)全面展開(kāi)，并且已經(jīng)取得了一定成果，一些技術(shù)和理念已經(jīng)成功用于解決工程實(shí)際難題，下面分別介紹。

我國在接地系統設計方面主要存在兩方面的問(wèn)題，一是設計過(guò)于簡(jiǎn)單，二是過(guò)于強調接地電阻，而不重視接觸電位差、跨步電位差、轉移電位差等。過(guò)去入地短路電流I只有幾kA，接地電阻容易滿(mǎn)足要求。隨著(zhù)接地故障電流的不斷增大，發(fā)變電站接地電阻R要滿(mǎn)足要求很難，導致目前標準中的2 000 V地電位升限值并未在實(shí)際接地設計中被有效執行，失去了應有的規范作用。同時(shí)，即使地電位升滿(mǎn)足要求，但若接地裝置設計不合理，在發(fā)生接地故障時(shí)，地面仍可能出現高電位梯度，給運行人員帶來(lái)危險。因此，研究接地設計所需考慮的參數及其限值，有針對性地設計、改造接地裝置，對于確保發(fā)變電站安全穩定運行具有重要意義。通過(guò)大量理論分析、實(shí)驗和實(shí)踐應用，目前國標GB50065已經(jīng)給出了以上安全指標的相應限值。明確相關(guān)指標的作用，可以在地電位升或接地電阻難以滿(mǎn)足標準規定的要求時(shí)，通過(guò)合理設計接地裝置保證設備和人身的安全。

電力系統接地的目標就是確保一、二次設備以及人身的安全。事實(shí)上，對設備和人身造成安全影響的均為接地點(diǎn)之間的電位差。目前保護設備和人身安全的相應指標包括接地電阻(地電位升)、接觸電位差、跨步電位差、轉移電位差等均通過(guò)電位差體現，如圖所示，下面分別討論。

接地安全指標示意圖

接地電阻和地電位升一直是設計和運行中主要分析的參數，是接地技術(shù)研究的熱點(diǎn)，一些研究成果已總結在GB 50065中。對于小面積接地網(wǎng)或者銅接地網(wǎng)，接地網(wǎng)地電位升與工頻入地電流之間的相位差很小，相應比值稱(chēng)為接地電阻；對于大面積鋼接地網(wǎng)，接地網(wǎng)地電位升與工頻入地電流之間的相位差較大，相應比值稱(chēng)為接地阻抗。地電位升主要影響一、二次設備安全。由于二次設備耐壓較低，因此是確定地電位升限值的主要考慮因素。

傳統的變電站存在通信等二次電纜與站外設備有金屬性連接的情況，此時(shí)，地電位升全部施加在二次設備上，由于微機保護等二次設備的耐壓在2000 V左右，因此GB 50065規定，地電位升不應超過(guò)2000 V?，F代變電站的二次系統與站外的連接通常通過(guò)光纖，因此二次設備的金屬連接部分通常全部位于變電站內。此時(shí)其承受的最大電壓即為變電站內兩端接地點(diǎn)之間的電位差，不是全部的地電位升，這里稱(chēng)之為地電位差。影響該電位差的主要因素是二次系統兩接地點(diǎn)之間接地網(wǎng)的連通性，并不是接地網(wǎng)的絕對地電位升。減小接地點(diǎn)之間的電位差的最有效方式是使用良導體接地網(wǎng)、增加接地網(wǎng)密度，包括沿電纜溝并鋪銅排等。當接地系統連接緊密時(shí)，即使土壤電阻率很高導致地電位升很高，變電站接地體之間的最大電位差也很小。因此對于沒(méi)有高電位從二次設備引出變電站的情況，限值地電位升小于2000 V非常不合理，而應當是限值變電站內地電位差小于2000 V。由此，變電站的地電位升可以進(jìn)一步提高。事實(shí)上，對于各種高電位引出或者低電位引入的情況(也就是轉移電位差)，如果采取合理的隔離措施，如增設隔離變壓器，則均可以消除絕對地電位升的影響，從而放松對地電位升的要求。

但是，即使地電位差小于2000 V，地電位升限值也并不是一味地可以提高。事實(shí)上，此時(shí)還需要考慮地電位升對一次設備的影響。對于變電站內高、中壓一次設備，由于其耐壓較高，即使地電位升很高也不會(huì )影響其安全運行。耐壓最差的一次設備是電壓較低的設備，如10kV或35kV站外供電系統。由于10 kV或35 kV變壓器中性點(diǎn)并不接地，且其本身為感性設備，考慮故障電流的暫態(tài)特性，變電站中、高壓側有故障電流入地，導致地電位升高時(shí)，10 kV或35 kV各相的電位并不一定同時(shí)升高(其參考點(diǎn)可能在站外的電源)，并且可能存在滯后效應。此時(shí)，考慮到三相之間的相位差，很可能10 kV或35 kV某相的電位與變電站的地電位升反相，造成相應避雷器承受的電位是相電壓與本變電站地電位升之和。如果該電壓過(guò)高，將導致避雷器動(dòng)作以保護10 kV或35 kV電源供電系統的安全，當避雷器的容量夠不夠時(shí)，避雷器可能爆炸?？梢?jiàn)，對于一次設備，變電站受地電位升影響最大的是10kV或35kV避雷器，地電位升高不應對其造成損壞。

綜上，對于沒(méi)有二次系統引出站外的變電站，其地電位升可大于2000 V，但應小于其他所有高電位引出系統的耐受能力，比如10 kV或35 kV站外供電系統避雷器的動(dòng)作電壓。同時(shí)，要保證接地網(wǎng)內的電位差盡量小，不超過(guò)二次設備等的耐受值。對于有二次系統或者其他系統引出站外的情況，采取適當的隔離措施后，地電位升也可以進(jìn)一步提高?？傊?，接地設計應當更注重減小地電位差，使地電位分布更均勻，而不是絕對地電位升。減小地電位差可以通過(guò)加密接地體、使用良導體接地等，而不是一味的降低接地電阻。目前這一設計思想已經(jīng)在我國高土壤電阻率中的超、特高壓變電站、電廠(chǎng)得到了應用。

2)接觸電位差、跨步電位差

接觸電位差、跨步電位差的限值保證了人身安全。我國原有行標規定的安全限值沒(méi)有考慮高阻層的影響。GB 50065參照美國IEEE標準，引入了考慮高阻層影響的衰減系數，修正了接觸電位差和跨步電位差的限值。

我國以前對接觸電位差、跨步電位差不夠重視，認為只要接地電阻小，接觸電位差、跨步電位差就沒(méi)問(wèn)題了。但事實(shí)上，接地電阻與接地網(wǎng)的面積相關(guān)，而接觸電位差、跨步電位差與接地網(wǎng)的密度相關(guān)，兩者并沒(méi)有非常緊密的聯(lián)系。占地很大的接地網(wǎng)，接地電阻可能很低，但如果接地網(wǎng)格稀疏，接觸電位差、跨步電位差可能會(huì )很大。因此降低接觸電位差、跨步電位差并不需要采用降阻的方法，而是需要增加接地體密度。極限的情況，如果變電站接地采用金屬板，則接地電阻仍然存在，但接觸電位差、跨步電位差卻幾乎為0 ? 。

20世紀90年代，重慶大學(xué)提出接地體不等間距布置本質(zhì)上也是在接觸電位差、跨步電位差較大的接地網(wǎng)邊緣增加接地體密度，以達到降低最大接觸電位差和跨步電位差的目的[}zo}。接地體不等間距布置基本不影響接地電阻。

接地網(wǎng)設計應考慮接地系統中最嚴重的接觸電位差、跨步電位差以及接地網(wǎng)上最大電位差的情況來(lái)作為設計的基礎。事實(shí)證明，在大多數情況下，只要通過(guò)精心、合理的設計，可使危險電位降低到最低值。隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，國外的接地系統設計一般是根據土壤地質(zhì)結構，采用多層土壤結構模型，分析接地系統的接地電阻、地電位升、地電位差、接觸電位差和跨步電位差，確保施工完成的接地系統滿(mǎn)足安全要求。另外一方面，科學(xué)的設計能夠根據地質(zhì)結構的實(shí)際情況，因地制宜進(jìn)行接地系統設計，經(jīng)濟有效地降低接地電阻、地電位差、接觸電位差和跨步電位差。

到目前為止，國內外在接地系統數值計算方面開(kāi)展了大量的研究工作。主要包括如下三方面：一是確定符合實(shí)際的土壤結構模型，二是接地系統電氣參數計算，三是入地電流和分流系數的計算。

1)土壤結構分析

在均勻土壤中，水平接地網(wǎng)的接地電阻與接地系統所處土壤電阻率成正比，與地網(wǎng)面積的平方根成反比，因此土壤電阻率對于接地電阻的影響非常顯著(zhù)。土壤電阻率的合理估計是進(jìn)行接地系統設計的基礎。早期的接地系統設計把土壤看成均勻的，利用經(jīng)驗公式對接地電阻值進(jìn)行估計。進(jìn)入20世紀70年代末期以后，通過(guò)借鑒地質(zhì)研究中的沉積巖構造理論，人們意識到土壤分層結構對于接地系統參數的影響，開(kāi)始進(jìn)行土壤分層的研究。鑒于土壤分層計算的復雜性，早期的研究局限在兩層土壤結構的分析上。一方面的研究工作是將各種可能的土壤結構參數組合制成所謂的“量板”，將測量結果與量板上的曲線(xiàn)對比來(lái)確定土壤分層結構；另一方面的研究工作是通過(guò)理論推導，得到了分析雙層水平分層土壤結構的數值解。

隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，國內外學(xué)者采用數值計算的方法對多層土壤模型進(jìn)行了比較深入的研究?；境霭l(fā)點(diǎn)都是從點(diǎn)電流源產(chǎn)生的電場(chǎng)推導得到隨測量極間距變化的視在電阻率的解析表達式，采用合適的數值計算方法反演分析得到土壤的結構參數。各研究者研究方法的不同之處，在于反演求解土壤結構參數時(shí)采用的數值計算方法不同。

從20世紀90年代開(kāi)始，武漢大學(xué)、清華大學(xué)、華北電力大學(xué)等高校在消化吸收國內外研究先進(jìn)成果的基礎上，開(kāi)展了深入的地中電場(chǎng)計算、多層土壤結構反演工作，并開(kāi)發(fā)了相關(guān)軟件，目前在土壤結構分析的計算方法方面已經(jīng)走在了世界前列。

2)接地系統電氣參數分析方法

為了確保發(fā)變電站的安全運行，進(jìn)行符合實(shí)際情況的地網(wǎng)參數計算是極其重要的。接地系統接地參數的計算方法可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是采用經(jīng)驗公式進(jìn)行估算，另一類(lèi)則是采用數值計算方法進(jìn)行比較精確的計算。

采用簡(jiǎn)單的經(jīng)驗公式分析接地系統的接地參數是各種標準推薦的發(fā)變電站接地系統設計的方法，如IEEE Std80-2000、我國的接地標準等均采用簡(jiǎn)單的經(jīng)驗公式來(lái)進(jìn)行發(fā)變電站接地系統的設計。各種經(jīng)驗公式是基于對接地系統的近似處理，采用理論分析、數值計算及模擬試驗分析得到的。這些計算公式在如下方面做了近似處理：

(1)將接地裝置的幾何形狀進(jìn)行適當的改變，以便于進(jìn)行數學(xué)分析。如將水平接地網(wǎng)用實(shí)心圓盤(pán)來(lái)代替，然后進(jìn)行適當的修正，以考慮地網(wǎng)的實(shí)際結構；在我國接地規程中推薦的地網(wǎng)接地電阻的計算公式則是根據圓盤(pán)和圓環(huán)的接地電阻理論公式用線(xiàn)性?xún)炔宸ǚ治龅玫降摹?/p>

(2)假設電流在接地系統的所有接地導體上均勻分布。這與實(shí)際情況相差較遠，對于大型接地網(wǎng)，內部導體被外部導體屏蔽，導致電流分布不均勻。

(3)假定土壤結構均勻?，F代發(fā)變電站占地面積大、地下情況復雜，對于電阻率不均勻土壤，如土壤分層時(shí)，計算方法不再適用。

隨著(zhù)計算機的發(fā)展，各國學(xué)者將各種數值計算方法應用到接地參數的計算中來(lái)，如有限差分法、有限元法、模擬電荷法、邊界元法等。采用數值計算方法，能夠比較全面地考慮地網(wǎng)的實(shí)際結構及故障電流流散時(shí)的實(shí)際情況，即考慮到地網(wǎng)不同部分導體散流的非均勻性，對于任意復雜接地網(wǎng)都能得到比較滿(mǎn)意的計算結果，同時(shí)也能在技術(shù)經(jīng)濟上達到最優(yōu)，解決了采用經(jīng)驗公式進(jìn)行計算中的各種問(wèn)題。

20世紀70-80年代提出的差分法、有限元法、模擬電荷法、邊界元法、多步法、平均電位法、矩陣法和解藕法等更適合于均勻土壤及雙層土壤模型中接地參數的數值計算。而90年代以來(lái)提出的濾波法、基數鏡像法及復數鏡像法更適合于多層土壤結構模型中接地參數的分析。

3)入地電流及分流系數

電力系統發(fā)生短路時(shí)，只有一部分短路電流經(jīng)接地網(wǎng)流入大地，其余部分經(jīng)變壓器中性點(diǎn)、與地網(wǎng)相連的架空地線(xiàn)、電力電纜的屏蔽層流回系統。因此研究故障時(shí)的電流分布，確定入地電流是分析接地系統安全指標的基礎。獲得準確的故障電流分布需要明確電流分布的機理和模型。入地電流與總故障電流的比值(分流系數)除受變電站接地電阻、線(xiàn)路地線(xiàn)電阻、桿塔接地電阻等的阻性分流影響比較大外，線(xiàn)路地線(xiàn)與相線(xiàn)之間的互感也會(huì )起很大作用。實(shí)際變電站故障發(fā)生時(shí)，故障電流由線(xiàn)路的相導線(xiàn)提供，即相導線(xiàn)作為電流引線(xiàn)，如圖所示。

此時(shí)，由于相導線(xiàn)與其地線(xiàn)一直保持長(cháng)距離平行，之間的距離也非常近，造成它們兩者之間的互感很大。相導線(xiàn)提供的故障電流會(huì )通過(guò)互感的作用在地線(xiàn)中感應出很大的反向電流，這部分電流是分走故障電流的主要部分之一。并且，由于互感的作用，如果有多回線(xiàn)路的情況，提供故障電流多的線(xiàn)路地線(xiàn)分走的電流多，其他線(xiàn)路地線(xiàn)分走的電流少。

入地電流的準確計算主要取決于建立精確的短路電流模型，而該模型的計算方法目前已經(jīng)比較成熟。在眾多短路電流計算方法和軟件中，被電力系統肯定并經(jīng)常使用的有運算曲線(xiàn)法、PSASP和PSD-BPA等。國內清華大學(xué)、華北電力大學(xué)等基于電路模型，開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)計算短路電流分流系數的軟件，方便了工程應用。同時(shí)，國內也開(kāi)展了分流系數的測試研究，驗證理論分析結果的有效性。

為降低接地裝置的接地電阻，人們采取了各種各樣的措施。傳統的措施主要在接地網(wǎng)的2維方向進(jìn)行研究，包括擴大接地網(wǎng)面積、引外接地、增加接地網(wǎng)的埋設深度、利用自然接地、局部換土、接地模塊和離子棒等。隨著(zhù)接地系統降阻要求的逐步提高，新型降阻技術(shù)不斷出現，充分利用接地網(wǎng)周?chē)牡匦?、地質(zhì)特性，構建3維立體接地網(wǎng)成為趨勢，除垂直接地極外，斜接地極技術(shù)、深水井接地技術(shù)和深井爆破接地技術(shù)施工已經(jīng)在很多高土壤電阻率地區變電站的接地改造中取得顯著(zhù)的成效。但目前各種降阻措施的研究工作大部分僅針對某一種措施展開(kāi)，缺乏組合降阻措施的研究，各種降阻措施之間也缺乏系統的比較，實(shí)際在降阻措施的選用中存在盲目性。當前我國接地系統的設計過(guò)程中，對于接地系統的初步設計和優(yōu)化降阻只能依靠工程技術(shù)人員的經(jīng)驗和思維，而一旦不具備這種經(jīng)驗或考慮不周，就會(huì )造成設計過(guò)程繁瑣反復，而且可能造成設計結果脫離實(shí)際、經(jīng)濟性和技術(shù)性權衡不足，一旦設計結果付諸實(shí)踐，則會(huì )致使工程存在安全隱患，或者導致財力物力的浪費。

應當注意，各種降阻方法都有其應用的特定條件，針對不同地區、不同條件采用不同的方法才能有效地降低接地電阻。在高土壤電阻率地區，設計發(fā)變電站接地裝置時(shí)，其接地電阻很難滿(mǎn)足要求，特別是面積比較小的發(fā)變電站，采用長(cháng)垂直接地電極來(lái)降低其接地電阻已被越來(lái)越多的工程設計人員所采用。清華大學(xué)、武漢大學(xué)、華中科技大學(xué)、西南交通大學(xué)、長(cháng)沙理工大學(xué)、廣西大學(xué)、重慶大學(xué)以及很多降阻公司依托具體工程，開(kāi)展了研究工作。另外各種方法也不是孤立的，在使用過(guò)程中必須相互配合，以獲得明顯的降阻效果。

泄放雷電流、保證雷擊時(shí)設備和人身的安全是接地裝置的重要作用之一。由于雷擊而引起的事故日益增多，雷電成為影響電力系統安全運行的重要因素。國內外的運行經(jīng)驗和理論分析表明，有效改善接地網(wǎng)性能是提高雷擊保護效果的有效措施。針對這一問(wèn)題，國內外從土壤放電特性、接地裝置沖擊特性等方面開(kāi)展了一系列研究，有力的指導了防雷接地設計。

1)接地裝置附近土壤的雷擊放電模型

迄今為止，國內外學(xué)者發(fā)表了很多關(guān)于接地裝置沖擊特性的研究論文。大部分沖擊試驗的結果都是在時(shí)域中直接進(jìn)行分析的，得到的結論也都是對時(shí)域而言。

限于試驗場(chǎng)地和工作量，一些學(xué)者在高壓實(shí)驗室中進(jìn)行了模擬接地體的沖擊試驗。這類(lèi)試驗方法是利用相似原理，將接地體的尺寸、沖擊電流波頭等物理量進(jìn)行了相應的尺度變換，從而可以在實(shí)驗室中使用較小的電極來(lái)模擬實(shí)際的接地體進(jìn)行沖擊試驗。在實(shí)驗室中，利用模擬試驗，可以比較容易地改變一些參數，如電極類(lèi)型、土壤電阻率、埋深等，得到這些參數影響接地體沖擊特性的規律。前蘇聯(lián)的一些學(xué)者在20世紀70年代應用相似理論計算了集中接地體的沖擊特性。國外還有一些學(xué)者通過(guò)模擬試驗的方法總結出了一些經(jīng)驗公式和用于估計接地體沖擊特性。隨著(zhù)沖擊裝備制造水平的提高，國內開(kāi)始開(kāi)展現場(chǎng)的真型沖擊實(shí)驗研究，目前該方面研究還處在初步階段。

2)接地裝置雷電特性仿真計算

接地系統除了要確保工頻短路時(shí)的安全性外，還要確保雷電等作用時(shí)的暫態(tài)安全性。目前對接地系統暫態(tài)性能的仿真主要有以下幾種方法：電路理論和傳輸線(xiàn)理論、電磁場(chǎng)理論。

基于電路和傳輸線(xiàn)理論的方法，是由電阻-電感-電容-電導組成的兀型等值電路來(lái)模擬計算接地導體暫態(tài)特性的一種直接的、有效的方法。與其它方法相比易于執行，在對計算資源的消耗(內存及計算時(shí)間)及結果的精度方面都是可以接受的。但這些方法都沒(méi)有考慮土壤在沖擊電流作用下的電擊穿現象。隨著(zhù)土壤擊穿效應逐漸被廣大學(xué)者所重視，地網(wǎng)導體參數的時(shí)變特性需要體現到暫態(tài)仿真的算法之中。

1)在接地電阻測量技術(shù)方面

接地電阻是接地裝置相對于無(wú)窮遠電位與流入大地電流的比值。實(shí)際測量中電壓極不可能設在真正的無(wú)窮遠處，而電流極的存在又會(huì )使地中的電流場(chǎng)發(fā)生畸變從而影響到地面的電位分布，所以接地電阻的測量會(huì )存在誤差。圍繞著(zhù)如何盡可能有效地減小測量誤差、測得盡量真實(shí)的接地電阻值，國內外電力工作者提出了各種各樣的測量方法和測量?jì)x器。傳統測量接地電阻的方法有兩點(diǎn)法、三點(diǎn)法、電位降法、四極法等。目前我國測量接地電阻常用的方法是IEEE標準推薦采用的電位降法。由此派生出的0.618法和30度夾角法更為常用。

傳統的0.618法和30度夾角法沒(méi)有考慮土壤不均勻的情況。土壤不均勻時(shí)，基于均勻土壤得出的補償法的結論不再適用，應當改變電壓極位置。IEEE Std.81-1983中推薦的電位降法，將電壓極位置在待測地網(wǎng)與電流極之間改變，做出視接地電阻曲線(xiàn)，找出曲線(xiàn)平坦段對應的視接地電阻即為地網(wǎng)的實(shí)際接地電阻。采用這種方法進(jìn)行測量工作量很大。為了滿(mǎn)足測量精度的要求，測量引線(xiàn)需要很長(cháng)，實(shí)際操作中將消耗大量人力物力。針對以上問(wèn)題，中國電科院、清華大學(xué)、陜西電科院、華北電力大學(xué)等積極研究接地電阻的短距離引線(xiàn)測試技術(shù)，并且通過(guò)理論分析、計算仿真以及現場(chǎng)實(shí)測證明了電流引線(xiàn)最短到2D下這種方法的可行性。

在接地電阻測試時(shí)，由于存在線(xiàn)路地線(xiàn)分流的情況。我國通過(guò)仿真與測試，提出了分流系數的測量方法，并開(kāi)發(fā)了測試設備。

2)在接地網(wǎng)腐蝕診斷方面

構成接地網(wǎng)的導體埋在地下，常因施工時(shí)焊接不良及漏焊、土壤的腐蝕、接地短路電流電動(dòng)力作用等原因，導致接地網(wǎng)導體及接地引線(xiàn)的腐蝕，甚至斷裂，使接地網(wǎng)的電氣連接性能變壞、接地電阻增高。接地網(wǎng)腐蝕已構成影響電力系統安全運行的重要因素。

現在了解接地網(wǎng)腐蝕及斷點(diǎn)的常用方法就是停電抽樣開(kāi)挖，即過(guò)一定年數后，根據地區的土壤腐蝕率，經(jīng)驗地估計接地網(wǎng)導體電阻腐蝕程度，然后抽樣挖開(kāi)檢查。這種方法帶有盲目性、工作量大、速度慢，并且還受現場(chǎng)運行條件的限制，不能準確的判斷斷點(diǎn)和腐蝕程度。同時(shí)，發(fā)變電站承擔著(zhù)國民生產(chǎn)和人民生活的巨大任務(wù)，每一次停電都不可避免地要帶來(lái)許多經(jīng)濟損失，這樣帶來(lái)了實(shí)際操作上的困難。另外的方法就是通過(guò)測量接地電阻來(lái)分析接地網(wǎng)的腐蝕情況。這種方法在原理上存在問(wèn)題。當接地網(wǎng)腐蝕或存在斷點(diǎn)時(shí)，接地網(wǎng)的接地電阻基本上沒(méi)有變化。即使接地網(wǎng)由于嚴重腐蝕導致接地網(wǎng)的解裂，由于兩部分接地網(wǎng)間的互電阻的作用，解裂后測量得到的接地電阻仍不會(huì )有較大的變化。另外接地電阻隨土壤電阻率的季節變化、測量方法、測量方位的變化而有較大的變化，即測量得到的接地電阻變化不是由于接地網(wǎng)腐蝕及斷裂引起的。從另一方面來(lái)說(shuō)，即使接地網(wǎng)的接地電阻能反映接地網(wǎng)的腐蝕情況，但也沒(méi)法準確定位故障點(diǎn)。只好人工抽樣開(kāi)挖檢查，或者大范圍開(kāi)挖檢查，造成了成本昂貴、檢測工作量大等弊端。

查找接地網(wǎng)的斷點(diǎn)及嚴重腐蝕段已成為電力部門(mén)一項重大反事故措施。電力系統迫切需要找到一種簡(jiǎn)單、準確、不受現場(chǎng)運行條件的限制，實(shí)現在不停電和不開(kāi)挖的情況下，對接地網(wǎng)的故障進(jìn)行診斷的方法。清華大學(xué)和重慶大學(xué)基于接地點(diǎn)之間的導通性，開(kāi)展了接地網(wǎng)腐蝕診斷方面的研究工作。隨后陜西省電力科學(xué)研究院、武漢大學(xué)、廣東電科院等也開(kāi)展了研究。華北電力大學(xué)等通過(guò)接地體周?chē)拇艌?chǎng)，研究接地體的導通情況，進(jìn)一步推算接地體的腐蝕。

存在的問(wèn)題

我國已經(jīng)在接地安全指標、仿真分析、降阻措施、測試和評估等方面開(kāi)展了全面的研究，并且初步取得了豐碩成果，一些技術(shù)和理念已經(jīng)成功用于解決工程實(shí)際難題，為接地技術(shù)的進(jìn)一步研究打下的深厚的基礎。但是由于接地的復雜性，相關(guān)技術(shù)仍然存在較多問(wèn)題。

雖然對于接觸電位差和跨步電位差限制指標規定已經(jīng)比較明確，但對于地電位升的安全限制仍然缺乏深入研究。例如，雖然前面分析認為變電站內10 kV或35 kV供電系統避雷器最易受到地電位升的影響，但此時(shí)10 kV或35 kV避雷器的耐受能力如何、動(dòng)作電壓是多少，仍然需要深入研究，尤其是考慮外部從10 kV或35 kV電源和線(xiàn)路到站內配電裝置的整體下，加在10 kV或35 kV避雷器的電壓值仍需要更細致的計算分析。此外，是否還有其他更易受到地電位升影響的設備沒(méi)有考慮到，其承受的電壓和耐受的能力等仍然需要仔細的論證。

雖然已經(jīng)可以分析分層土壤下復雜接地體的接地性能，但由于所處環(huán)境的復雜性，所分析的情況仍然存在簡(jiǎn)化。接地仿真分析存在如下問(wèn)題：

1)土壤模型主要為分層模型，實(shí)際超、特高壓變電站、發(fā)電廠(chǎng)等土壤結構更加復雜，很多為分區域分層的情況，因此目前土壤模型與實(shí)際還存在一定差距。

2)目前的接地計算僅考慮一個(gè)電流入地點(diǎn)的情況，而實(shí)際中由于高低壓側線(xiàn)路地線(xiàn)的分流、變壓器的接地等，入地電流是通過(guò)多點(diǎn)流過(guò)接地網(wǎng)的，這樣接地網(wǎng)上的電位差、熱穩定校核等應當考慮實(shí)際流過(guò)的電流，對于大型接地網(wǎng)，這一影響可能會(huì )很大。

3)接地網(wǎng)并不是獨立的，而是通過(guò)電纜接地、電纜溝、龍門(mén)架等地上部分形成了一個(gè)復雜的網(wǎng)絡(luò )，目前的接地計算沒(méi)有考慮這些影響，尤其是其與二次電纜之間的影響，值得深入研究。

4)對于大型接地裝置，故障電流分布會(huì )受到接地點(diǎn)之間地電位差的影響。目前入地電流計算將變電站的所有接地點(diǎn)視為同一個(gè)點(diǎn)，即接地網(wǎng)視為等電位，這在小規模銅接地網(wǎng)中沒(méi)有問(wèn)題，但對于大型鋼接地網(wǎng)，可能會(huì )存在較大誤差。

雖然接地系統仿真軟件已經(jīng)可以分析很多降阻措施的效果，然而，隨著(zhù)接地模塊、離子棒、深水井接地、爆破接地極等新型降阻技術(shù)不斷出現，這些降阻措施如何在仿真軟件中等效，如何通過(guò)接地系統仿真軟件合理評估這些降阻技術(shù)的效果，以便科學(xué)指導降阻工程，成為擺在國內外接地技術(shù)研究人員面前的重要問(wèn)題。目前的國內外研究中，均沒(méi)有合適的分析評估模型，需要從機理、實(shí)驗驗證、理論建模等多方面開(kāi)展深入研究工作。

同時(shí)以上接地降阻裝置隨土壤溫濕度變化、大電流沖擊下的穩定性、長(cháng)效性等仍然缺乏有效的驗證，也缺少相關(guān)檢測手段，是需要進(jìn)一步深入研究的內容。

目前，針對接地裝置雷電沖擊特性研究存在以下問(wèn)題：

1)縮尺模型下的實(shí)驗多，真型尺寸下的實(shí)驗少。由于土壤放電的非線(xiàn)性，縮尺模型結果與真型尺寸下結果的等效性還有待驗證。

2)沖擊下的接地測量方法有待深入研究。由于沖擊發(fā)生器成本高、使用不方便，并且為了保證波形完好引線(xiàn)不能過(guò)長(cháng)。因此回流極對接地裝置電流分布及周?chē)娢环植加绊戄^大，如何既保證接地裝置電流分布與實(shí)際接近，又保證測量波形符合要求，仍然是需要解決的問(wèn)題。

3)對桿塔接地裝置沖擊特性的研究多，對接地網(wǎng)的沖擊特性研究少。目前的研究重點(diǎn)集中在接地網(wǎng)的工頻特性上，沒(méi)有深入研究接地網(wǎng)的暫態(tài)特性。國外IEEE標準也僅考慮了短路電流的暫態(tài)影響，而沒(méi)有明確雷擊的影響。在實(shí)際設計、施工和運行實(shí)踐中造成比較大的混亂。由于雷擊變電站時(shí)電流大、頻率高，接地網(wǎng)上的電位差更加明顯，導致接地網(wǎng)本身局部電位差和接地網(wǎng)電位異常升高。

4)雖然已經(jīng)開(kāi)始研究雷擊接地網(wǎng)造成的地電位不平衡，但在雷擊接地網(wǎng)狀態(tài)下地網(wǎng)暫態(tài)電位升高對二次系統的安全的影響研究沒(méi)有涉及，這方面的系統性研究總體上還是一片空白，在目前一次設備的裝備制造水平和設備絕緣質(zhì)量已較以前上了一個(gè)臺階的形勢下，雷擊對二次系統或二次設備絕緣和電磁干擾的影響顯得尤為突出，迫切需要就雷擊下地網(wǎng)導體電位升高和場(chǎng)區壓差對二次設備和二次回路的影響進(jìn)行實(shí)驗和理論分析研究，給出綜合考慮工頻和雷擊下地網(wǎng)導體電位升高和場(chǎng)區壓差取值的依據，指導接地網(wǎng)工程設計和運行維護。

5)由于智能變電站剛剛出現，到目前為止，國內外還沒(méi)有開(kāi)展變電站地電位升高對智能設備的危害研究。隨著(zhù)雷擊等暫態(tài)事故的頻發(fā)，需要深入研究雷擊下暫態(tài)地電位差對智能設備的影響。

6)我國的接地裝置大量使用鋼材，最近也開(kāi)始使用銅覆鋼等新型接地材料，而國外普遍使用純銅作為接地材料。接地材料的差異使得我國雷擊下地電位差的問(wèn)題更加突出，迫切需要開(kāi)展相關(guān)研究工作。

7)缺少二次系統雷擊防護措施的研究。目前，對傳統二次設備的抗干擾措施研究已經(jīng)取得了大量研究成果，但雷擊下的防護需要具體問(wèn)題具體分析。設備的工作方式、安裝位置差異較大，很難將傳統二次設備的抗干擾措施用于雷擊防護。需要深入研究雷擊下二次電纜端口特征，以便提出合理可行的防護措施。

目前對接地系統安全性評估主要針對接地電阻、接觸電位差、跨步電位差、接地體導通性等工頻特性以及接地體的腐蝕問(wèn)題展開(kāi)。

隨著(zhù)接地網(wǎng)面積增加，接地網(wǎng)各處對應的接地阻抗、跨步電位差、接觸電位差等差異較大，因此需要從多個(gè)空間維度對接地網(wǎng)各參數進(jìn)行測量；隨著(zhù)接地網(wǎng)上通過(guò)電流的多樣化，電流的頻率成分也呈現多樣化，從頻率較低的直流、工頻，到頻率逐步增加的開(kāi)關(guān)操作、雷擊、 VFTO等，因此需要從多個(gè)頻率維度對接地網(wǎng)各參數進(jìn)行測量；由于接地網(wǎng)一方面時(shí)刻可能經(jīng)受雷電、操作、VFTO、短路等短時(shí)過(guò)程的考驗，另一方面在長(cháng)期運行中也會(huì )受到腐蝕、不平衡電流等的影響，因此也需要從多個(gè)時(shí)間維度對接地網(wǎng)相應參數進(jìn)行測量。最后接地網(wǎng)的評估還涉及到電、熱、化學(xué)等多種物理量?？梢?jiàn)，對接地網(wǎng)安全特性的檢測和評價(jià)應當是多維度、全方位的，現有規程僅從工頻參數來(lái)對接地裝置進(jìn)行評估已經(jīng)不滿(mǎn)足電網(wǎng)發(fā)展的需求。

接地技術(shù)在電力系統中的應用

在電力系統中，比較常用的接地技術(shù)有以下三種：即工作接地、保護接地以及防需接地，下面重點(diǎn)對這幾種接地技術(shù)在電力系統中的應用以及接地網(wǎng)施工中的注意事項進(jìn)行分析。

工作接地就是將電力系統的某個(gè)點(diǎn)進(jìn)行接地，主要目的是滿(mǎn)足電力系統的運行要求，通過(guò)這種接地方式，能夠為電路的正常運行提供一個(gè)基準電位，其值通常設置為零，該電位即可設為電路中的某一個(gè)點(diǎn)，也可設為電路系統中的某一段，當其與大地相連接時(shí)，可將其視作為相對的零電位。在電力系統中應用工作接地后，能夠使電網(wǎng)的對地電位更加穩定，有利于對地絕緣的降低，如變壓器的中性點(diǎn)接地等。工作接地的主要功能是確保電力系統在各種不同的工況下，如正常、故障等，都能夠有一個(gè)相對適宜的運行條件，為繼電保護等裝置的可靠運行提供保障。根據相關(guān)規范標準的規定要求，工作接地的電阻值不宜超過(guò)4歐姆，這一點(diǎn)應當在具體應用時(shí)注意，以免影響工作接地作用的發(fā)揮。

保護接地能夠防止電力系統中的各種電氣設備原本不帶電的金屬部分在發(fā)生故障帶電后對人體造成傷害的情況發(fā)生，這種接地技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種保護方式。電力系統中有很多的電氣設備和裝置，由于它們都處于長(cháng)期不間斷地運轉狀態(tài)，故此，絕緣極有可能出現老化、磨損等情況，這樣一來(lái)，電氣設備或裝置上原本不帶電的部分便會(huì )帶電，原本帶有低壓電的部分會(huì )帶上高壓電，由此除了會(huì )引起電氣設備損壞之外，若是人體觸碰還會(huì )導致觸電傷亡的安全事故。

為防比此類(lèi)意外情況的發(fā)生，必須在電力系統中應用保護接地技術(shù)，以此作為一種有效的安全防護措施。對于中性點(diǎn)不接地的電力系統而言，如果人體意外接觸到帶電的設備金屬外殼時(shí)，電流便會(huì )經(jīng)由人體的電阻、接地電阻以及導線(xiàn)的對地電容構成一條同路，由于人體本身的電阻與接地電阻之間是一種并聯(lián)的連接方式，因此，接地電阻的阻值越小，流入到人體中的電流也就越小，對人體造成的傷害就越輕微，由此可知，若是可以將接地電阻的阻值限制在某個(gè)特定的范圍之內，使流入人體的電流小于安全電流，便可確保人員的安全。

（1）在接地電流相對較大的系統中

若是出現單相接地的現象，則會(huì )觸發(fā)系統中保護裝置動(dòng)作，其接地裝置的電阻值應當不超過(guò)0.5歐姆；在接地電流比較小的系統當中，如果發(fā)生單相接地的情況，通常系統中的保護裝置不會(huì )自行動(dòng)作，接地裝置出現電壓的時(shí)間會(huì )隨之延長(cháng)，操作人員接觸到的可能性會(huì )有所增大，此類(lèi)系統中的接地體電壓應當不超過(guò)250V。接地電阻的阻值不得超過(guò)10歐姆。

（2）在電源中性點(diǎn)直接接地的低壓電網(wǎng)中

為防比接地與保護接零混用的情況發(fā)生，必須采用保護接地的方式，同時(shí)，在正常運行情況下不帶電但由于故障可能會(huì )導致帶電的金屬部分，均必須進(jìn)行保護接地，如變壓器、電動(dòng)機、照明設備的外殼及底座、配線(xiàn)鋼管等等。

（3）在低壓系統中

保護接地的電阻值應當不超過(guò)4歐姆；容量在100kV以?xún)鹊呐渥?，因其布線(xiàn)相對較短，故此保護接地電阻的阻值可以設定為10歐姆；對于土壤電阻率比較高的地區，保護接地電阻的阻值應當不超過(guò)3歐姆。

雷電是自然界的一種現象，雷電流會(huì )對電力系統中的設備、裝置造成危害，因此，在電力系統中，需要采用合理可行的防雷接地技術(shù)，將雷電流送入到大地當中。相關(guān)研究結果表明，接地電阻的阻值越小，散流的速度就越快，遭受雷擊的物體高電位保持的時(shí)間也就相應越短，危險性越低。鑒于此，對于計算機場(chǎng)地內的接地電阻器阻值應當不超過(guò)4歐姆，并以共同接地的方式，將防需接地與電氣安全接地和交直流接地統一為一個(gè)接地裝置

(1)以水平方式進(jìn)行布設的接地網(wǎng)的埋設深度應當控制在0.8m，垂直接地極打入到地下后應當預留出100mm左右的高度，這樣便于和水平接地網(wǎng)進(jìn)行連接。

(2)對接地網(wǎng)進(jìn)行焊接時(shí)，應當嚴格按照規范標準及施工圖紙的要求進(jìn)行操作，以此來(lái)確保焊接質(zhì)量，這是保證接地網(wǎng)運行安全的關(guān)鍵。

(3)接地引下線(xiàn)與電纜溝接地扁鋼均應當涂刷環(huán)氧瀝青漆，對土體進(jìn)行同填的過(guò)程中，應當將好土埋在接地網(wǎng)的鋼材上，土中不得摻有雜物，當填土厚度達到200mm時(shí)，進(jìn)行一次夯實(shí)，以此來(lái)確保接地網(wǎng)與土壤之間的緊密結合。

發(fā)展趨勢展望

隨著(zhù)電網(wǎng)向著(zhù)高電壓、高智能、高可靠性的方向發(fā)展，對接地裝置性能的要求越來(lái)越高，接地技術(shù)的發(fā)展面臨諸多挑戰。由于接地技術(shù)包含的內容很多，這里不一一列舉，其中如下方面值得重點(diǎn)研究：

1)復雜地質(zhì)條件下的接地仿真分析技術(shù)。隨著(zhù)接地裝置所處地區的地質(zhì)條件日益復雜，對接地裝置的仿真技術(shù)提出了新的挑戰。尤其是對于水電站、直流接地極等特殊接地系統，相關(guān)研究尤為迫切。

2)接地裝置的沖擊特性及其與其他電力系統設備的交互影響。如前所述，目前針對工頻接地特性的研究已經(jīng)相對比較全面。如果工頻下地電位升可以進(jìn)一步提高，接地降阻、均壓優(yōu)化等都不再成為難題。然而，沖擊下由于接地體的導通性變差，其與接于其上的其他系統和設備之間的交互影響目前仍然不是十分清楚。隨著(zhù)智能化設備、緊湊化變電站的大量應用，設備的電磁敏感性變強，干擾源的頻率越來(lái)越高，迫切需要開(kāi)展相關(guān)研究。例如，研究接地裝置與其上二次設備在沖擊下的相互影響，并進(jìn)一步研究二次系統的接地方式和防護措施，提出在沖擊下對接地裝置性能的要求。再如，考慮桿塔時(shí)域沖擊特性的線(xiàn)路防雷研究，并且可以將該研究推廣到鐵路、通信等相關(guān)領(lǐng)域。

3)接地裝置與其他行業(yè)設施之間的相互影響。目前利用大地的設施眾多，鐵道、管道、大地監測等均會(huì )受到接地裝置產(chǎn)生的地電位分布的影響。同時(shí)，多個(gè)行業(yè)的設施共用接地裝置也已經(jīng)大量存在，例如電信門(mén)的大數據中心由于用電量巨大，會(huì )與變電站共地。因此，迫切需要開(kāi)展相關(guān)研究。

4)接地系統多維度評估技術(shù)。有必要針對接地裝置的直流特性、工頻特性、沖擊特性、高頻特性、腐蝕性和土壤環(huán)境開(kāi)展綜合研究，建立接地網(wǎng)的多維度檢測方法及檢測體系，并基于此，研制出適于現場(chǎng)應用的便攜式接地裝置多功能沖擊阻抗測試系統與接地裝置高頻特性測試儀，從而實(shí)現對接地裝置的全面考核和綜合判斷。

5)接地材料及防腐技術(shù)研究。由于地質(zhì)條件日益復雜，接地體的腐蝕問(wèn)題日益突出，接地裝置運行的人力、物力成本越來(lái)越高，接地網(wǎng)腐蝕問(wèn)題也成了電力系統非常棘手的問(wèn)題。研究新型接地網(wǎng)材料和防腐技術(shù)已成為電力系統的迫切需求。雖然目前接地新材料的穩定性、可靠性等還有待檢驗，但隨著(zhù)我國經(jīng)濟實(shí)力的增強以及新材料新工藝的不斷出現，研究接地網(wǎng)新材料已成為可能。