变电站接地网设计全指南:原理、计算公式与施工工艺
变电站接地网设计
变电站接地网简介
在高/中压空气绝缘变电站(AIS)中,裸导线静电荷与大气条件(浪涌)产生的电磁场,会在设备非带电部位感应电压,形成金属件对地、地面不同点间的电位差。相地短路等故障亦会产生类似电位差。

这些电位差引发跨步电压与接触电压(或组合),导致人体通过电流,危及安全。
- 接触电压 (Eₜ):故障电流流过时,可被手触及的接地金属结构与距其 1 m 地面点间的最大电位差。
- 跨步电压 (Eₛ):故障电流流过时,双脚间(距 1 m)的最大电位差。
- 移入电压 (Eₜᵣᵣd):跨步电压特例,指电压从变电站外部远程点传入或传出。
其他关键概念:
- 地电位升高 (GPR):接地网对远地大地的最大电位升高,等于最大网格电流 × 接地电阻。
- 网孔电压 (Eₘ):接地网网孔内的最大接触电压。
- 金属间接触电压 (Eₘₘ):站内可被手-手或手-脚跨越的金属物间电位差。

图 1 – 接触、跨步与移入电压示意
为将人体电流降至可接受值,保障站内/邻近人员电气安全,限制对第三方设备电磁干扰,AIS 必须设置接地系统,将所有非带电金属件(结构件、接地开关、避雷器、配电柜/电机外壳、变压器轨道、金属围栏等)可靠连接。接地系统设计还须确保保护装置(继电保护、避雷器)正常动作,并满足全寿命周期性能、未来扩建及极限故障电流要求。接地网由埋地裸铜导线网 + 接地极组成,计算推荐依据IEEE Std. 80-2000。
变电站接地网设计关键公式
埋地导线截面按相地短路电流计算,工程常用三相短路电流代算。公式:

其中:I″K1 为相地短路电流 (A);ts 为故障持续时间 (s);Δθ 为最大允许温升 (°C)——裸铜 Δθ = 150 °C。
依据 IEEE 标准,允许跨步/接触电压、人体允许电流 (Ihb)、接地网电阻 (Rg) 计算公式如下:
允许跨步电压
允许接触电压
人体允许电流
接地网电阻计算

参数说明:
- Cs:表层修正系数,

- ts:故障持续时间 (s)
- ρs:表层材料电阻率 (Ω·m) —— 湿碎石典型值 2,500 Ω·m
- ρ:表层下土壤电阻率 (Ω·m)
- hs:表层厚度 (m)
- A:接地网占地面积 (m²)
- lT:埋地导体总长(含接地极) (m)
若无表层,则 Cs = 1,ρs = ρ。上述计算通常采用专用软件完成。
变电站接地网实例

图 2 – 接地网示例
接地网连接最佳工艺:
a) 熔铸焊(热熔焊)

图 3 – 熔铸焊
熔铸焊为导体永久连接工艺,利用金属氧化物(导体)与点燃铝粉(燃料)的热剂反应放热熔融成型。每副模具允许焊接次数不得超厂家规定。
b) C 型压接管

图 4 – C 型压接管与液压压接钳
采用液压压接钳 + 配套模具,模具尺寸匹配接线管规格。
断路器、隔离开关、刀闸操作箱附近须设金属等电位网,接入接地系统(图 5)。

图 5 – 金属等电位网
注释
[1] Un 为网络额定电压:HV – Un ≥ 60 kV;MV – 1 kV < Un ≤ 49.5 kV。

作者简介:Manuel Bolotinha
- 电气工程学士(能源与电力系统,1974,里斯本大学高等技术学院)
- 电气与计算机工程硕士(2017,新里斯本大学科技学院)
- 变电站与电力系统高级顾问;专业讲师
工业技术