地网的工频电位升高问题探析
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摘要：地网工频升高必然对设备及人身安全带来极大隐患，故文章介绍了一般情况下，变电站所采取的高电位引外和低电位引内的措施。同时，还详细分析了阀式避雷器反击过电压与站内短路所引起的流动波过电压机理，以及相应的防护措施。
关键词：地网 工频电位升高
引言
在土壤电阻率高的地区，地网的接地电阻一般很难降低，因此在发生接地短路故障时，地网的电位可以升得很高。以规定允许的5Ω为例，只要经地网入地的短路电流达2000A，地网的电位就会抬高到10000V，大大超过规定的安全电压2000V。地网的均压措施只能解决跨步电势和接触电势的问题，而要保证设备和人身的安全还必须解决高电位引外和低电位引内的问题。
高电位引外和低电位引内的措施
变电站中高电位引外和低电位引内的措施主要有：隔离向站外供电的三相四线制低压线路、隔离对外的通讯线路、隔离铁路轨道和各种金属管道等。
2.1 对向站外供电的三相四线制低压线路的隔离
当向站外供电的三相四线制的电源中性点和地网相连时，地网的高电位以经相线、零线和电缆的金属外皮传到用户处，使用户的人身和设备安全受到威胁。为了防止高电位引外，从变电站引出到接地网外的低压线路，最好使用架空线路，其电源中性点不在接地网内接地，而在用户处单独接地。如果采用有金属外皮的电缆供电，则除电源中性点不在接地网内接地而在用户处接地外，最好能把电缆直埋于土中，或在电缆进入用户处将金属外皮剥去50-100cm后穿入绝缘保护套内。
应该注意，对于用水泥横担、杆铁横担的低压线路，由于低压绝缘子的工频干试电压只有2000V，当地网电位升高时，可能造成绝缘子的的逆闪而把电位引向相线或零线，因此当地网电位高于2000V时，在接地网内的低压水泥杆线路应加强绝缘。
2.2 对和站外相连的通讯线路的隔离
当变电站有和站外相连的通讯线路时，站外的低电位将通过通讯线路引入站内，这样，当电网电位抬高时，人站在地网上，用手接触通讯设备（例如打电话），这一电位差就会作用在人体上，影响到人身的安全。防止低电位引内的最有效的方法是在人工或自动交流拨号和信号回路中接入隔离变压器，隔离变压器的1min耐压不宜小于5kV。
当采用隔离变压器油困难时，也可以设置绝缘台将整个通讯设备和人员与地网隔离，或采用特定的通讯线路保护接线，即将圆型保安器的炭精云母间隙接在地网和通讯线之间，这样当地网电位抬高时，间隙即可击穿放电造成短路，使管型保险丝熔断，起到隔离电位的作用。
2.3 对铁路轨道和金属管道的隔离
自变电站引出到接地网外的铁路轨道和金属管道能将地网的高电位传递到很远的地方，因此当地网的电位大于2000V时，需要采用隔离地网电位的措施。
安装在枕木上的铁路轨道，可以采用在接头出加装绝缘鱼尾板来隔离地网电位，也可将钢轨的一至两处接头改用沥青混凝土固定，即将钢轨接头的鱼尾板卸掉，将枕木附近的碎石清除一部分，然后浇注沥青混凝土，与轨顶稍许齐平，钢轨内侧留一宽、深各6cm的槽沟，以便火车导轮通过。
引出接地网外的架空金属管道，可采用一段绝缘管，或在法兰连接处加装橡皮垫和绝缘垫圈，并把连接法兰的螺栓穿在绝缘套管内等隔离措施。采用法兰绝缘隔离电位，一般不应少于三处。直接埋在地下的较长的油、水、气管，一般可以不采取隔离电位的专门措施。
3、阀式避雷器的反击过电压
当变电站有向外供电的3-10kV线路时，地网电位的升高可能造成变电站内3-10kV阀式避雷器误动作。由图3-1可以看出，地网电位V是加在由避雷器端子对地网间的电容（包括附近的发电机、变压器以及避雷器火花间隙的电容总和）CB和线路对地电容C0的串联回路上的，由于C0 >> CB，所以实际上几乎全部的地网电位V都将作用于电容CB上，也即避雷器上。考虑到当系统发生接地短路故障时，短路电流存在非周期分量，计入非周期分量后，地网的工频暂态电压可达1.8IR，而10kV以下的避雷器的工频击穿电压又比较低，所以避雷器可能在地网发生单相接地故障时击穿，此时避雷器就会因不能熄弧而损坏，严重时甚至会爆炸。因此，在高土壤电阻率地区，如果需要放宽对地网接地电阻的要求时，其上限值应根据阀式避雷器所能承受的反击过电压来决定。
图3-1 阀式避雷器的反击过电压
4、站内短路所形成的流动波过电压
过电压分析使我们知道，当充电到U0的线路突然合到另一长线时，沿线前行的将是U0/2的电压波。因此当变电站的高压线由于某些绝缘故障或误操作而突然接地时，在接地引线上夜会出现一个前行的过电压波，其最大值可达，这一过电压的大小和地网的接地电阻以及入地短路电流的数值无关，仅由系统的额定电压决定。对110kV、220kV、330kV和500kV系统来说，在接地引线上出现的前行过电压波将分别为45kV、90kV、135kV和204kV。即使是35kV系统，前行过电压波也可达14kV，这一过电压波会随着接地引线传播到附近的接地设备上，例如故障点直接至附近的保护控制柜，使保护控制柜的外壳电位抬高。虽然这一过电压存在的时间很短（约为0.1-0.01μs）但由于其幅值很高，已足以危及柜内的保护控制弱电系统，而且过电压击到柜内弱电线路后，还会沿着控制线和电源线传向中央控制室或直流电源处，使事故进一步扩。
降低地网接地电阻、减小入地的短路电流都不会使这一过电压降低。为了避免这一电压的危害，应在所有可能出现过电压的地方（例如弱电线路和接地外壳之间）加装0.1-1μF的保护电容或氧化锌压敏电阻。
结语
地网工频电压升高对设备及人身安全的危害是不言而喻的，在分析其形成机理的基础上，采取切实有效的防护措施，是可以预防的。但随着电网容量的扩大、电压等级的升高，这一部分问题的研究仍有待于不断的研究与探索。
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