第一节 接地装置的发热
1.1 概述
在电力系统中，工作电流或接地电流将流过接地线，接地体流向大地，当电流流过接地线和接地体时，会引起金属发热。如果金属导体的界面选择的较小，在大的接地短路电流流过时，会引起土壤发热，使土壤的水分蒸发甚至汽化，引起土壤电阻率上升，严重时可以造成土壤烧结，使接地极不能正常工作。因此，需对接地装置的发热和热稳定进行认真的分析和计算。
1.2 电流流过半球形电极时土壤的温升
1.2.1 电流长期流经电极时
当电流经半球形接地极向土壤流散时，土壤由于接地电阻的存在，土壤会发热，土壤的温升将达到某一稳定值。半球形电极土壤的发热计算如下图1
图1 半球形电极土壤的发热计算
距球心为的范围内每秒产生的热量，
（1）
在处的温升为零，而在处温升为最大，该处最大温升为
（2）
电极附近土壤的温度在任何情况下都不允许升高到100℃，否则，土壤的水分将蒸发掉，以致土壤的电阻增大到极大的数值。如取土壤的导热系数，土壤的电阻率为，土壤的最大允许温升℃，则可求出电极的允许电位为
又由于半球形电极表面的电流密度 （3）
如果电极半径，仍取壤的最大允许温升℃，则由上式求得电极表面的最大允许持续电流密度（即土壤温升最大处的电流密度）为
，电极允许通过的最大持续电流
1.2.2 电流短期流经半球形电极
当电流通过接地电极的时间较短（约数秒），可以不考虑热的传导而按绝热过程来计算，即认为流过土壤某处的电流所产生热量全部用来提高土壤该处的温升。以半径处的厚度为的半球壳为例，假定土壤的比热为，在时间内土壤的温升为，则半球壳在时间内需吸收的热量应为
（4）
而半球壳在的时间内所产生的热量为
（5）
令，整理积分可得
（6）
当时间确定后，土壤短时发热时的温升将直接取决于流经土壤的电流密度。短时发热时土壤的最大温升出现在处，既有
（7）
短时发热时的电极表面的最大允许电流要比长期发热时大得多。
1.2.3 土壤发热的过渡过程
土壤发热的过渡过程是指土壤从通过电流开始发热到温度达到稳定温升的全部过程。在过渡过程开始时温升上升得很快，随着时间的增加越来越慢，图2是土壤发热的温升曲线
图2 土壤发热的温升曲线
用公式表示为： （8）
为土壤的稳定温升；为土壤升温的时间常数。
半球形电极周为土壤升温的时间常数为：
（9）
综合半球形接地电极发热的分析可知：
（1） 电极附近土壤发热的时间常数讲授电极形状的和尺寸的影响。
（2） 在土壤长期发热时，允许经电极流散的最大电流和电极尺寸有关，但电极表面的最大允许电流密度则不受电极尺寸的影响，纸盒土壤的参数以及电极该点的电流密度有关。
1.3 任意形状的电极时的土壤发热计算
图3为任意形状电极附近土壤的热场分布。
图3 任意电极附近土壤中的热场
任意接地电极的土壤温度场的稳态解将为
（10）
假定在稳定发热时的接地电极为一等温面，则为求土壤的最大温升，（10）式取，因为土壤的最大温升必须出现在紧挨电极处。该处的最大温升为
（11）
这和按半球形电极推导的公式相同，具有普遍的意义。
需指出的是，对任意形状的电极，由于电极各电的不同，其温升上升速度也是不同的，电极各点附近土壤的发热时间常数将具有不同的数值。电流密度小的电极附近的土壤具有较大的发热时间常数。
第二节 交流接地网的热稳定
交流输电系统分中性点不接地、中性点经消弧线圈接地、和直接接地三种运行方式。在中性点不接地系统，不会有接地电流流经地网入地。在后两者情况，在正常情况下，经地网入地的只是数值不大的不平衡电流。在系统发生单相接地时，经由消弧线圈入地的电流也只有数十安培的电容补偿电流，只有在中性点直接接地系统中才会出现数十千安的短路电流经地网入地，但持续时间不长，一般在0.5~2s左右。因此，交流接地网不存在长期发热的问题，只需对短时发热进行热稳定校验即可。
对交流接地网热稳定校验可直接采取如下公式
（12）
如取，℃，℃，，则采用公式（12）可得，即要求电极表面的最大允许电流密度不得大于671。
应该注意到，为了均衡地面的电位分布，减小跨步电势和接触电势，交流地网中一般都要敷设一定数量的均压带，此时由于屏蔽效应和尖端效应的影响，自地网流散的电流沿地网各道题的分布是不均匀的。为求导体表面的最大电流密度，必须先对地网的流散电流分布进行计算。
对于6~35kV安装消弧线圈补偿系统，经消弧线圈，地网入地的电流为数十安到数百安，但由于消弧线圈属于2h工作制，因此，对该系统的热稳定的校核，入地电流要按一个站所装消弧线圈容量之和再乘以1.35，时间应按长期发热校核，如，土壤电阻率，℃，℃，，则
即按2h工作制，电流密度最大不超过11.18，如按长期工作制，这个电流密度会更小，这也提醒我们在消弧线圈接地的系统虽然最大补偿电流仅为数十到数百安，但接地网的热稳定问题特别应引起注意。
第三节 接地线的热稳定校验
3.1 接地线的最小截面
根据热稳定条件，末考虑腐蚀时，接地线的最小截面应符合式（13）要求
（13）
式中 ——接地体和接地引线的最小截面，㎜2
——流过接地线的短路电流值，A（按5-10年发展规划，按系统最大运行方式确定）
——短路的等效持续时间，s
c ——接地线材料的热稳定系数，根据材料的种类，性能及最高允许温度和短路前接地线的初始温度确定。
在校验接地线的热稳定时， 、及C应采用表1所列数值。按地线的初始温度，一般取400C。
表1 校验接地热稳定用的、和c值
系统接地方式
（A）
（S）
c
钢
铝
铜
有效接地
单（两）相接地短路电流
见下文（1）和（2）
70
120
210
低电阻接地
单（两）相接地短路电流
2
70
120
210
不接地、消弧线圈接地和高电阻接地
异点两相接地短路电流
2
70
120
210
（1）发电厂、变点站的继电保护装置配置有2套速动保护、近接地后备保护、断路器失灵保护和自动重合闸时，可按式（14）取值。
（14）
式中 ——主保护动作时间，s
——断路器失灵保护动作时间，s
——短路器开断时间，s。
（2）配有1套速动保护，近或远（或远近结合的）后备保护和自动重合闸，有或无断路失灵保护时，可按式（15）取值
（15）
式中 ——第一级后备保护时间，s
根据热稳定条件，末考虑腐蚀时，接地装置地极的截面不宜小于连接至该接地装置的接地线截面的75%。
3．2 接地线的防腐蚀
敷设在大气和土壤中有腐蚀性场所的接地体和接地引下线，应根据腐蚀的性质经过技术经济比较采用热镀锌，加高效膨润土降阻防腐剂或刷沥青漆，或采用阴极保护等措施。
在设计中对接地线腐蚀问题，建议作如下处理：
（1）一般情况下应吸取当地的运行经验，按当地接地线的腐蚀数据进行处理。
（2）当地 无数据时，可暂按下列数据处理。
1）对镀锌或镀锡的扁钢、圆钢，埋于地下的部分，其腐蚀速度取0.065mm/a（指总厚度），但对于焊接处必须采取措施，如刷沥青漆等。但0.065mm/a是指一般中性土壤，如果土壤PH值在6.5以下，或土壤土质比较疏松，腐蚀率可达0.085-0.265mm/a。南方和北方也有区别，在实际工程中应区别对待。
2）如无防腐的接地线，其腐蚀速度在一般地区按如下方式处理。
ρ=50-300Ω.m地区，扁钢取0.1-0.2 mm/a，圆钢取0.3-0.4 mm/a；
ρ>300Ω.m地区，扁钢取0.1-0.08 mm/a，圆钢取0.3-0.09 mm/a；
ρ<50Ω.m地区，扁钢取0.08-0.1mm/a，圆钢取0.3-0.09 mm/a；
3）接地体的寿命，应与地面设备一致，一般应按25-30年考虑，设计时可按上述防腐要求选择导线截面。
3）对于敷设在屋内或地面上的接地线，一般均应采取防腐措施，如镀锌、镀锡或刷防腐漆。这样可不必按埋于地下条件考虑 ，只要适当留有裕量即可。
3.3 短路接地电流的计算
接地短路电流分析当系统发生接地故障时,产生的接地短路电流经三种途径流入系统接地中性点。(1)经架空地线—杆塔系统;(2)经设备接地引下线,地网流入本站内变压器中性点;(3)经地网入地后通过大地流回系统中性点。而对地网接地电阻起决定性作用的只是入地短路电流。所以,正确地考虑和计算各部分短路电流值,对合理地设计地网有着很大的影响。
架空地线系统的影响对于有效接地系统110kV以上变电所,线路架空地线都直接与变电站内出线架构相连。当发生接地短路时,很大一部分短路电流经架空地线系统分流,因此,在计算时,应考虑该部分分流作用,发生接地故障时,总的短路电流是一定的,只要增大架空地线的分流电流,就可减小入地短路电流,因此,降低架空地线的阻抗也是安全接地设计重要的一个分支。架空地线采用良导体,正确利用架空地线系统分流,将使地网的设计条件更为有利。
入地短路电流从上述分析可知,入地短路电流是总的接地短路电流减去架空地线的分流,再减去流经变压器中性点的电流(也就是流经变电器的零序电流)。如此计算,入地短路电流值相对比较小。由于接地电阻允许值R≤2000I,所以接地电阻相应的允许值就比较大,设计也容易满足。另外,对于一个给定的地网,其接地电阻也基本确定:从R≈0.5ρ/S可知,对实际的接地网面积减少有很大影响。
计算用入地短路电流的计算
厂或所内和厂或所外发生接地短路，流经接地装置的电流可分别有下式计算
式中：
――入地短路电流
――接地短路时的最大接地短路电流
――发生最大接地短路电流时，流经发电厂变电所接地中性点的最大接地短路电流
――分别为厂内或所内和厂或所外短路时，避雷线的工频分流系数。避雷线路的工频分流系数。一般粗算可取Ke1=0.5，Ke2=0.1。
计算用入地短路电流取两式中较大的值。
在有效接地系统及低电阻接地系统中，发电厂，变电所电气装置中电气设备接地线的截面，应按接地短路电流进行热稳定校验。钢接地线的短时温度不应超过400度，铜接地线不应超过450度，铝接地线不应超过300度。
校验直接接地，经消弧线圈接地和高阻接地系统中的电气设备接地线的热稳定时，敷设在地上的接地线长时间温度不应大于150度，敷设在地上的接地线长时间温度不应大于100度。
3.4 简化计算
接地故障电流的测量
任何接地故障电流将会对接地导体施加一个热应力。这个应力与电流强度和故障持续时间有关，并不应能损害接地导体。由于在非常短的故障持续时间内，导体没有时间散热，因此这个规律对稳定电流并不适用。限制因素是可接受的最大导体温度。
应根据IEEE Std 80-1986(见9.3)的推荐公式做计算。对于快速近似计算（这可能会导致比所需的导体大）和钢架，可用下列公式：
（14）
其中
A 为导体横截面积（单位mm2）
I 为故障电流（假定一个螺栓故障）（为有效值 单位A）
tc 为故障持续时间，包括继电保护和跳闸时间（单位s）
注－为了介绍某种裕度，应使用后备保护时间；如果这个假设导致非常大的导体，可用一个比例因子，如1.5。
a 考虑非对称性故障电流的影响后的一个系数：
当
当。
K 取决于导体材料的初温和末温的一个系数（见表2）
表2－计算接地导体面积时系数k的取值
初始温度
（。C）
末温
（。C）
当导体材料如下时的k值
铜
铝
钢
20
150
145
94
55
20
160
149
97
58
20
200
165
107
60
20
220
171
112
20
250
180
117
70
20
300
195
126
20
500
235
85
40
150
131
85
40
160
136
87
40
200
152
99
40
220
160
105
40
250
170
110
40
300
183
119
40
500
223
145
70
160
114
75
75
150
105
68
75
160
111
72
75
200
131
85
85
200
125
81
85
220
133
87
90
220
130
85
90
250
142
93
125
250
123
80
第四节 接地线热稳定校验方案实例
进行热稳定校验时，一定要考虑腐蚀的因素，即计及腐蚀后的导体截面积应该在预计寿命期内满足热稳定要求；同时要对各个电压等级分别按流过接地体的最大短路电流计算，即中性点有效接地系统按照单（两）相对地短路电流，中性点非有效接地系统按异地两相接地短路电流计算。接地线截面积要满足其最大值要求，否则应该采用各个电压等级接地线截面积不同的方案。
如某变电站2015年远期规划110 kV侧单相接地短路电流为5.77 kA，35 kV侧异地两相接地短路电流为5.25 kA，10 kV侧异地两相接地短路电流为12.64 kA。，根据热稳定条件，未考虑腐蚀时，接地线的截面应符合下式要求，并对各电压等级分别按流过接地体的最大短路电流进行验算：
式中Ig——流过接地线的短路电流稳定值，A；
——短路的持续时间，s，中性点有效接地系统为后备保护动作时间及断路器开断时间的和，该站为1.5 s，中性点非有效接地系统按2 s计算；
c——接地线的热稳定系数，根据材料而定，钢为70。
110 kV部分：Ig=5 770 A，t=1.5 s，由此，Sg≥100.9 mm2。
35 kV部分：Ig=5 250 A，t=2 s，由此，Sg≥106 mm2。
10 kV部分：Ig=12640A，t=2s，由此，Sg≥255.4 mm2。
如果使用扁钢为60×6=360 mm2，考虑到腐蚀，按照年腐蚀率0.1 mm/a，预期寿命为20 a，20 a后，截面为56×2=112 mm2（腐蚀发生在钢材两侧），对110 kV及35 kV部分仍然能够满足要求，但是对10 kV部分则不能够满足要求。如使用扁钢为80×8=640 mm2，按照年腐蚀率0.1 mm/a，20 a后，截面为76×4=304 mm2，可以满足10 kV部分要求。因此，该站110 kV及35 kV部分可采用(60×6) mm2扁钢，10 kV部分则应采用（80×8） mm2扁钢。
第五节 连通试验和开挖检查
电气设备的接地装置主要是为了故障时，故障电流能可靠的入地。为此，对接地电阻等提出了不同要求，并规定每隔一定时间要进行测试，看是否满足要求。但是电气设备与接地装置的连接问题却一直没有引起人们足够的重视，而在这方面也最容易出现问题。曾发现110kV防雷接地与地网不同，使防雷设备不能发挥作用。
5.1 设备接地与地网的连通试验
这项试验比较简单，就是在发电厂或变电站中先找出一设备的接地为基准，也可以是侧接地网接地电阻的连接处。使用一块欧姆表，依次测量出其它设备接地对该点的直流电阻，去掉引线电阻后两个设备接地引下线之间的电阻不应大于0.5欧，如果大于0.5欧，则说明连接有问题，应进一步查找原因，如焊接头，或螺丝连接处。
5.2 开挖检查
接地装置长期运行在地下，最容易发生腐蚀。由于腐蚀会使接地体，或设备的接地引下线戒面组建变小（3~5年）对接地装置进行开挖检查，主要检查下列部位：
（1）设备的接地引下线，因设备的接地引下线，有一部分在土中，有一部分在空气中，容易发生吸氧腐蚀，因此，每过一定周期进行开挖检查，看是否受到了腐蚀，验算其截面是否满足热稳定的要求，并定期进行防腐处理。
（2）检查接地网的焊接头，接地体的焊接处也是腐蚀最严重的地方，对这些部位要定期开挖检查其腐蚀情况，并采取防腐措施。
5.3 设备的接地回路检查
对设备的接地引下线要定期的检查其锈蚀情况，作热稳定校核并做防腐处理。对接地引下线与设备外科的连接处也要定期检查处理，尤其是通过螺栓连接的地方。
另外，还有一些电厂变电站的设备接地是通过电缆沟的接地带接地的，所以对电缆沟的接地带也要定期的检查锈蚀情况，并做防腐处理。
整理 董新胜