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导言
本教程介绍变电站接地和接地系统设计中使用的关键概念。讨论的重要术语包括电网电位升高、接触电压和跨步电压以及电流分布。
举例说明接地和接地系统在发生故障时的表现。
目录
1 电网电位升高 (GPR)
图 1(a) 显示了一个简单的接地系统，它由埋在地表下 0.5 米的水平导体（也称为 "网格 "或 "栅格 "导体）和 3 米长的垂直导体（也称为 "接地棒"）组成，垂直导体与水平导体形成的网格相连。水平网格为正方形，并细分为 4 个正方形网格。
图 1(b) 显示了接地系统在故障期间通电时在地表产生的表面电压。
当电流通过接地系统注入大地时，电流会遇到直接取决于土壤电阻率的电阻。 由于电流流经该电阻，接地系统和与之相连的所有金属结构的电势都会上升。变电站接地网相对于远处接地点（假定为远处大地电位（0 伏））可能达到的最大电位被命名为电网电位升高（GPR）[1]。
GPR 与接地系统注入土壤的电流大小成正比。对于给定的注入电流，GPR 与土壤电阻率成正比。因此，在设计接地系统时，必须进行可靠的土壤电阻率测量，并在变电站现场进行测量，以确定土壤性质。 这对于准确模拟接地系统的性能十分必要。
在给定的故障电流下，GPR 与网格面积大致成反比。 请注意，电网的形状和埋设深度也会在一定程度上影响 GPR。
图 1 所示电网的 GPR 为 2220 V，最大表面电压为 2060 V，始终低于 GPR。
图 1 - 系统和表面电压示例图
2 触摸电压和阶跃电压
图 1 显示，地表电位比 GPR 低，且变化很大。 在电网导体的正上方，地表电位最接近 GPR；另一方面，电网中间会出现电位骤降，在这些中心点，GPR 与地表电位的差值最大。这就意味着，人站在网格中央，接触任何与接地系统相连的金属结构，都会受到很高的触电电压。
请注意，"接触电压"是指接地系统与人在接触通电金属结构（假定与接地系统电位相同）时可站立的任何接地表面位置之间的电位差 [1]。
图 2 (a) 中的曲线图显示了电网内部和距离电网 1 米以内的触摸电压。 最大触摸电压通常出现在电网的四角，因为周边导体上的漏电流最大（获得漏电流图是显示这一点的一种方法）。
如图 1 和图 2(b)所示，接地系统外围陡峭的电位梯度可能导致人的双脚所处的两个地表位置之间出现明显的电位差。一般假定人的步幅不会超过 1 米，因此 "台阶电压"被定义为相距 1 米的两个地表点之间的电位差。
阶跃电压通常比接触电压低得多。 因此，一般来说，如果一个设计能达到安全的触摸电压，那么阶跃电压就不会成为问题。
图 2 - 二维触摸电压和阶跃电压图
与 GPR 一样，触摸电压和阶跃电压与注入大地的电流成正比。此外，对于给定的注入电流和给定的电网比例，触摸电压和阶跃电压与大地的电阻率成正比。
为了评估接地系统的性能，需要将故障情况下的 GPR 值、触电电压和跨步电压与最大可接受值（也称为最大允许或可容忍电压限值）进行比较。 这些安全限值是根据 IEC 和 IEEE 标准方法 [1]、[2] 得出的。
请参阅说明如何计算触电和跨步电压限值的页面。
将安全限值与实际触摸电压和跨步电压进行比较，以确定设计是否安全。 实现安全设计有两种主要方法：
- 降低（或显示）变电站内及周边任何位置出现的实际触电电压和跨步电压，使其低于安全限值。
在变电站内外的表面增加一层碎石或沥青，以提高允许限度。
3 故障电流分配
当变电站附近发生意外通电或 "接地故障 "时，大量电流会从故障相导体流出，并通过所有可用的导电路径返回电源（见图 3）。
图 3 显示了通过架空输电线路连接的两个变电站在 A 变电站附近发生故障时的故障电流流向。下面是一个视频教程，用工作实例解释故障电流的分布。
故障期间，总故障电流的一部分会沿着以下路径返回电源（故障电流）：
- 接地线：一部分故障电流完全通过接地线（如果有的话）从故障点流向电源。另一部分故障电流沿着一段接地线流过，然后通过不同的接地路径注入大地，如输电塔接地或变电站的接地系统，而不是离故障点最近的变电站。
- 变电站接地系统：另一部分故障电流由故障发生地附近变电站的接地系统注入大地。从那里，电流通过大地流向电源的接地系统，然后通过电源的接地系统流向提供故障电流的发电机或变压器。
- 辅助接地系统：如果变电站除了变电站所在地的接地系统外，还有一个接地系统，那么故障电流的一部分将被转移到这个额外的接地系统中。请注意，建筑物钢筋混凝土地板中的钢筋可视为辅助接地系统，远程接地也可视为辅助接地系统。
注入变电站接地系统的那部分故障电流通常称为电网电流，它会导致接地系统电位升高。
流经每条路径的故障电流大小直接取决于它们的相对阻抗。 例如，如果接地导线的阻抗较低，并且在故障变电站和电源之间的跨度不大，那么接地导线传导的故障电流比例就会比接地导线较长和阻抗较高的情况大。同样，如果变电站接地系统的阻抗很低，那么它传导的故障电流比例也会比阻抗高的大得多。
在大多数情况下，电网电流远小于由电源提供的总故障电流。 因此，值得在设计阶段对故障电流分布进行分析，但需要有关导电路径的额外信息。
4 减少 GPR 的设计
接地系统的设计应确保 GPR 不超过 5000 V，这主要是为了保护设备 [3]。
要减小 GPR 就必须减小网格电阻，而要做到这一点，最有效的方法是增大网格的尺寸（网格覆盖面积），或者在低电阻率的底部土层中增加钻杆。 在网格内部增加导体可在较小程度上降低 GPR。
表 1 显示了SafeGrid 接地软件对四个简单接地系统的计算结果。 这些接地系统由一个埋深 0.5 米的 20 米 × 20 米正方形网格组成，并添加了杆件（3 米长）。 注入接地系统的故障电流和导体截面积分别为 1000 A 和 70mm2。 假设采用电阻率为 100 Ω.m 的均匀土壤模型。
从情况 1 开始，再增加 2 个以交叉形式安装的 20 米长的网格导线，GPR 下降了 6.37%。 如果再增加 6 根 20 米长的导线，形成情况 3 的网格（共 25 个网格），则 GPR 下降 14.1%。
在电网中增加内部导体的效果不如增大电网尺寸。 案例 4 显示，仅将网格尺寸从 20 米增加到 25 米，GPR 就会降低 16.78%。
请注意，降低栅极电阻将增加栅极电流，从而在假设电流不变的情况下减少 GPR。
5 降低接触电压和跨步电压的设计
接地系统的设计必须确保在故障期间变电站周边任何一点的触电电压不会造成危险。由于触电电压是地表某点与变电站接地系统之间的电位差，因此理想的情况是地表电位接近变电站 GPR。
图 4（a）和（b）分别显示了 4 网格的表面电压图和接触电压图。 表面电压图中的 4 个波谷对应于 4 个网格的中心，也是存在最大触电电位的点。 该网格的最大触电电压为 642 V。
图 4 - 4 网格的表面电压和触电电压图
图 5 显示了相同网格但网格数为 25 的表面电压和接触电压图。 网格数的增加导致波谷变得更浅。 因此，最大触电电压也变得更小。 该网格的最大触电电压为 391 V。
图 5 - 25 网格的表面电压和触电电压图
在某些情况下，通过增加电网导体所获得的改善效果会变得微不足道，如图 5 所示，由于整个电网区域内的触电电位已经基本一致，因此将谷底变浅所获得的改善效果显然不会太大。在这种情况下，如果还需要改进，就必须降低 GPR 本身，例如通过增大接地系统的尺寸。
如果触电电压在安全范围内，变电站区域内的阶跃电压通常不会造成问题。 变电站区域内的跨步电压不仅小于触电电压，而且人类可承受的跨步电压也高于触电电压。
阶跃电压通常只存在于变电站周围，因为那里通常存在陡峭的地表电位梯度。 根据经验，电位梯度的陡峭程度与接地系统的大小大致成反比，因此阶跃电位对小型接地系统的影响要大于大型接地系统。扩大接地系统的规模是降低阶跃电压的有效方法。
尽管电网内部的触电电压降低了，但变电站边缘的触电电压仍然很高。为了保护变电站外的人员和设备，可在 20 m × 20 m 主接地网格外 1 m 处增加一个埋地分级环（在 IEEE 标准 80 中称为 "周边导体"），以降低触电电压。
图 6 显示了没有分级环的触电电压和阶跃电压。最大触电电压为 767 V。沿变电站周边的阶跃电压也是不可接受的。
图 6 - 不带分级环的触摸电压和阶跃电压二维图
图 7 显示了与主电网埋深相同的分级环的触电电压和跨步电压。安装分级环后，触电电压和跨步电压显著降低。最大触电电压降至 425 V，变电站周边的跨步电压也降至 50 V 左右，而没有分级环时为 200 V。
图 7 带分级环的触摸电压二维图
6 土壤电阻率结构对电压的影响
对于实际变电站站址而言，土壤电阻率结构通常并不均匀。对于大多数变电站站址而言，多层土壤模型在评估接地系统电气性能方面更为真实和准确。
在本节中，我们将研究一个简单的双层土壤的顶层和底层电阻率差异对表面电压的影响。大多数土壤结构需要 3 至 5 层的模型。
典型的双层土壤模型有
- 高-低模型（顶层电阻率高于底层电阻率）
- 低-高模型（底层电阻率高于顶层电阻率）
为了证明高对低和低对高土壤对触电电压和阶跃电压的不同影响，我们使用了一个简单的 20 m × 20 m 不带接地棒的接地网。
图 8 显示了高-低土壤模型的表面电压，其中顶层土壤电阻率为 500 Ω.m，深度为 1.5 m，底层土壤电阻率为 50 Ω.m。 在高-低模型中，进入高电阻率层顶层的故障电流希望逃逸到低电阻率层底层。
图 8 - 高-低土壤模型的表面电压图
图 9 显示了低-高土壤模型的表面电压，其中表层土壤电阻率为 50 Ω.m，深度为 1.5 m，底层土壤电阻率为 500 Ω.m。低-高土壤模型的最大表面电压达到 5525 V。
图 9 - 低-高土壤模型的表面电压图
与顶层相比，底层电阻率对栅格电阻和栅格电位上升的影响最大（由于它们的相对厚度--底层厚度延伸至无限深）。 因此，低电阻率底层将导致较低的整体网格电阻和 GPR - 这是优势所在。 但是，如果土壤电阻率模型是高-低，那么由于表面电压曲线的陡峭变化，触摸电压可能会比低-高大得多。
7 利用棒材提高安全性
Ⅰ.考虑邻近效应的分离棒
在接地系统中安装接地棒可以提高性能，但接地棒之间需要有足够的距离才能有效。
如图 10 所示，一个区段的电场会影响相邻区段，反之亦然--降低其消散故障电流的能力，这就是邻近效应。从 $/Ω 的角度来看，多根垂直杆的拥挤效果不如适当间隔的较少几根杆的效果好。
图 11 所示是一个简单的网格，每个角有 4 根 5 米长的杆，用来说明这一现象。网格（水平）导线是绝缘的，以确保结果只受导线间距的影响。
图 12 显示了随棒间距变化而变化的电网阻抗。需要注意的是，当分离到棒长时，整体阻抗会明显降低。因此，我们可以得出结论，棒与棒之间的间距应大于一个棒长。
因此，一般来说，要使鱼竿发挥有效作用，它们之间的间距至少应为鱼竿的长度。 例如，长度为 5 米的栅栏应至少间隔 5 米。
Ⅱ.根据土壤特性有效使用钻杆
在某些情况下，使用棒材降低电压的效果可能较差。
表 2 显示了不同土壤模型下有接地棒和无接地棒接地系统的电网阻抗。安装接地棒可降低电网阻抗，尤其是在高-低土壤模型中。
在高-低土壤模型中加入接地棒后，网格阻抗降低了 86.14%，而在低-高土壤模型中使用接地棒效果不佳（降低了 24.53%），因为电流仍留在表土层中。这个问题可以通过在低-高土壤模型中安装反极板（通常在四角从接地网向外延伸的水平导体）来解决，因为这样可以增加接地网覆盖的面积。 增加接地网的覆盖面积总能提高性能。
参考资料
[1] "IEEE 交流变电站接地安全指南"，IEEE Std 80-2013。
[2] "电流对人类和牲畜的影响 - 一般方面"。IEC 60479-1:2018。
[3] "变电站接地系统允许地电位升高的最大极限"。IEEE Transactions on Industrial Applications（2015 年第 51 卷第 6 期）。
