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