第一章　接地的基本概念
地球的尺寸远大于人工电力设备，因此，可近似将地球看作一个无限大电容，无论人工电力设备对其进行多少次充电，其电位仍然不会上升，即具备保持零电位的特性[1]。为了充分利用大地的零电位特性，绝大多数电气设备均会采用接地措施。接地是指将电气设备的某部分、电力系统某点和大地相连。通过接地的方式可为接地的电气设备提供零电位点，为电力系统提供有效的散流通道，当电力系统存在短路故障电流、雷击电流等故障电流时，接地装置可以快速将电流耗散到大地中，将故障情况下电力设备的过电压限制在合理的范围内，有效保证了电力设备的安全稳定运行及操作人员的人身安全。因此，接地是电力行业中重要的措施，具有显著的工程意义。
为全面了解接地的内涵，本章主要介绍了接地装置的基本情况、接地参数的概述和接地安全基础三方面内容。
1.1　接地装置的基本情况
接地装置通常指埋在土壤中一系列形状各异、尺寸大小不同的金属焊接而成的装置。结构比较简单的接地装置通常被称为接地极或接地体，比如水平接地极、垂直接地极等。结构比较复杂的网状接地装置通常被称为接地网，比如变电站接地网、杆塔接地网等。其中，水平接地极、垂直接地极、杆塔接地网多采用圆钢结构，变电站地网多采用扁钢、角钢结构。相比于圆钢结构接地装置，采用扁钢、角钢结构的接地装置和土壤的接触面积较大，土壤更加容易夯实，具有较低的接触电阻，通常能够具备更加优异的接地性能[2]。
出于国家资源储备和经济成本等因素考虑，我国的接地装置材料以碳钢材料为主，以铜材料为辅，欧美国家以铜材料为主。两种材料各有优劣，碳钢材料的热稳定性较好，但耐腐蚀性和导电性较差；铜材料的热稳定性较差，但耐腐蚀性和导电性较好。因此，在重要的设备处，仍会考虑采用铜材料设计接地装置。
1.1.1　接地的目的
接地的种类很多，不同种类的接地通常具有不同的针对性。本章主要介绍以下几类接地的目的。
1.保证人身安全[3]
电力设备金属外壳通常会采用保护接地措施，如图1.1所示。当电气设备绝缘损坏或老化时，容易使金属外壳带电。
根据图1.1可知，当金属外壳不接地时，最坏情况下设备外壳的电压可能等于线路L的电压。若此时操作人员触碰金属外壳，线路L的电压将完全施加在人体上，产生较大电流，严重危害人身安全。当金属外壳接地时，接地极的接地电阻较小，通常在10Ω以内，有助于增大故障电流使继电保护装置切除该故障带电设备。另外，即使由于分布电容等因素的影响，该设备外壳处于带电运行状态，金属外壳接地的方式仍可以有效保障操作人员的人身安全。假定人体电阻在1000～2000Ω范围内，接地电阻和人体电阻呈并联关系。同时，假定设备金属外壳和线路L的电压相等，由于并联的分流原理，流过人体部分的电流仍然非常小，大部分电流通过接地极流入大地中。
2.保证电气设备安全
在电力系统存在雷击电流或故障电流等大电流情况下，容易导致电力设备的过电压增加。比如，当雷击避雷线时，直接导致输电杆塔塔顶电位过高，输电线路和杆塔塔顶之间的绝缘子串发生闪络，容易造成停电等事故[4]。对于配电线路，当变压器一次侧和二次侧之间的绝缘材料发生老化或破坏时，若变压器二次侧不接地，一次侧的高压会侵入二次侧，产生高低压混触事故，存在烧毁二次侧电力设备的风险。因此，对于现代电力系统而言，防雷设备、变压器二次侧等均直接和埋在大地中的接地装置相连。当发生大电流入侵的情况时，接地装置能够快速地将该类电流耗散到土壤中，保证采取接地措施的电力设备的电位在一个合理范围内，有效避免因故障电压过高导致的绝缘击穿等问题。综上所述，接地措施在保证电气设备安全方面具有重要作用。
3.防止电磁干扰
静电干扰是一种常见的电磁干扰。随着现代工业的发展，容易产生静电的化纤制品及塑料等制品已被广泛应用。静电的危害主要表现在可能引起爆炸和火灾等事故，比如，对于天然气储存罐、储油罐及油气的运输管道，其金属外壳的表面均需要采取接地措施。另外，静电的危害可以干扰电子设备的正常工作，电子设备通常也会采取一些屏蔽和接地的措施。综上所述，接地可以将积累的静电荷快速释放到大地中，有效解决静电带来的安全隐患。
电磁干扰主要可以分为两方面：外部设备的电磁场对某一目标设备的干扰和某一目标设备的电磁场对外部设备的干扰。不同设备之间的电磁干扰通常会直接影响各个设备的性能。为切断目标设备和外部设备之间的电磁耦合，通常会采取一系列屏蔽和接地措施。比如，电缆的屏蔽层接地、变压器的屏蔽层接地等。
1.1.2　接地的方式
根据接地装置的功能分类，本章主要介绍工作接地、防雷接地和保护接地。
1.工作接地
交流电力系统中，变压器运行方式通常有中性点接地和中性点绝缘(不接地)两种方式。国内在110kV及以上的电力系统中均要求采用中性点接地的运行方式，该方式称为工作接地。对于中性点绝缘的系统，当发生单相接地故障时，设备上绝缘材料上承受的电压为线电压，即相电压的倍。从设备材料的绝缘性能角度考虑，中性点绝缘系统仅能适用电压等级较低的输电系统。采用中性点接地的方式后，绝缘材料上承受的电压显著降低，可以选择绝缘水平较低的绝缘设备，因此，有效降低了绝缘设备的造价及成本。对于配电线路，根据接地线的数量也可以分为三相四线制和三相五线制，根据接地点处的负载类型可分为高电阻接地、低电阻接地、消弧线圈接地和直接接地等。变压器通常在变电站内，与其相连接的接地装置通常为大型接地网。大型接地网通常由多根扁钢导体焊接成网状结构，面积可达数百平方米，其简化示意图如图1.2所示。接地网的具体结构需要根据实际变电站布局进行设计，因此，不同变电站中实际接地网并不和图1.2完全一致。
2.防雷接地
对于输电杆塔，输电线路上方通常会架设避雷线，避雷线和杆塔塔顶连接，杆塔塔腿和土壤中的接地网进行连接。因此，当雷击避雷线时，雷电流可以通过避雷线、杆塔、杆塔接地网快速耗散到大地中，防止塔顶出现反击过电压等情况。对于变电站设备，通常配备有氧化锌等避雷器。避雷器在正常工作电压作用下呈现高阻态，相当于开路，对设备正常运行无任何影响。当存在雷击电流或过电压时，避雷器的压敏电阻很小，相当于将雷电流直接引入到大地中，从而保证电力设备的安全。杆塔接地网通常采用圆钢材料，并由多根圆钢导体焊接而成。杆塔接地网通常会通过接地引下线连接到杆塔塔腿。为防止引下线断裂导致的接地故障，通常每根塔腿均会通过引下线连接到接地网，如图1.3所示。
3.保护接地
在电气设备发生故障时，容易使其金属外壳带电，金属外壳的底座可能对地绝缘或存在分布电容等，导致故障电流不足以让继电保护设备工作。该情况下，操作人员触摸漏电设备的金属外壳时，金属外壳上的电压通过人体、大地形成通路，容易引发人身安全事故。因此，电气设备的金属外壳通常会采取接地处理，如图1.1所示，该种类型的接地称为保护接地。保护接地的两大优点为有助于继电保护装置切除故障带电设备和有效保障人身安全。
1.1.3　接地导体的利用系数
对于实际的接地装置，通常由多个接地导体组成。类似于电磁干扰，当电流通过某个接地导体进行散流时，通常也会对其他导体的散流性能产生影响。宏观上表现为多个接地导体组成的接地系统的接地电阻，并不等于单个接地导体接地电阻的并联相加。以n个并联的复合接地导体为例，列写如下方程组：
(1.1)
式中，为第i个接地导体的自接地电阻；为第i个接地导体和第j个导体的互电阻，i≠j，且i和j的取值范围均为1，2，，n；为第i个接地导体的泄漏电流(从接地导体流向大地中的电流)；为第i个接地导体的电位。
接地导体本身为良导体，对于小型接地装置，导体上的电位差可以忽略，因此，可近似认为。总的注入电流I为。该复合接地装置的实际总接地电阻Rt为
(1.2)
考虑n根接地导体接地电阻的并联情况，接地总电阻Rp如下：
(1.3)
根据电磁场基本原理可知，Rt显然会小于Rp。由于各导体之间的散流会相互削弱，当多根导体并联的时候，单根导体的散流能力在其他导体流散出的电流的影响下，该导体的散流能力往往会被削弱，即导体复合情况下单根接地导体的接地电阻会略大于仅一根接地导体存在时该接地导体的接地电阻。定义接地导体的利用系数为
(1.4)
对于呈现直线型等间距布置的n根并联垂直接地电极如图1.4所示。
图1.4中，垂直接地极长度为L，直径为d，相邻接地极的间距为D。为简化计算，求解过程中可将垂直接地极等效为半径为r的接地半球。
最先分析两根垂直接地极并联的情况，通过叠加定理容易求得并联总的接地电阻为
(1.5)
式中，为；为土壤电阻率。
结合两根垂直接地极的并联电阻可求得其利用系数为
(1.6)
类似地，可以给出3根垂直接地极并联和4根垂直接地极并联的利用系数分别为
(1.7)
根据上述计算过程，给出多根垂直接地极利用系数，如表1.1所示。
本节内容旨在让读者了解接地导体之间的屏蔽特性和利用系数，为读者从事接地领域相关工作奠定理论基础。在实际工程中，接地极的并联形式很多，在此不一一列举。若读者对利用系数感兴趣，可查阅文献[5]，或采用有限元分析软件自行计算各种形式复合接地装置的利用系数。
1.2　接地参数的概述
接地参数主要指用于衡量接地装置性能指标的一些电气参数，主要包括接地电阻、地表电位、接触电位差和转移电位差等参数。目前国内接地系统的设计中，过于重视接地电阻，忽略了其他接地参数的重要性，通常使得实际工程设计时和标准规定不一致，并存在一定的安全隐患[6]。通过本节介绍，希望读者能够对各个接地参数的内涵和重要性有更加深刻的理解。
1.2.1　接地电阻
接地电阻定义为接地网的电位除以接地网的注入电流。接地电阻主要受到接地网结构尺寸及土壤环境的影响。在接地网设计的过程中，除了考虑土壤电阻率的影响，还需要考虑土壤和接地网之间的接触电阻。在埋设接地网的过程中，当接地网铺设完成后需要将开挖的土壤回填进接地网所在位置。因此，回填土的紧密程度会对接地电阻有较大影响。当回填土比较疏松时，土壤颗粒和接地网的接触面积会减小，

目录
第一章 接地的基本概念 1
1.1 接地装置的基本情况 1
1.1.1 接地的目的 1
1.1.2 接地的方式 3
1.1.3 接地导体的利用系数 4
1.2 接地参数的概述 6
1.2.1 接地电阻 6
1.2.2 地表电位 8
1.2.3 跨步电位差 8
1.2.4 接触电位差 9
1.2.5 转移电位差 9
1.3 接地安全基础 9
1.3.1 人体安全电流范围 9
1.3.2 人体的电阻 11
1.3.3 人体安全允许的接地参数 12
参考文献 13
第二章 水平分层土壤介质格林函数的数值计算 15
2.1 水平分层土壤电流场格林函数基本方程 15
2.1.1 源点和场点不在同一层(i≠j) 16
2.1.2 源点和场点在同一层(i=j) 17
2.1.3 任意情况下的表达式 18
2.2 水平分层土壤电流场格林函数解析计算方法 18
2.2.1 场点在源点上方(z2.2.2 场点在源点下方(z>h)的格林函数求解 20
2.2.3 任意场点的格林函数求解 21
2.3 水平分层土壤电流场格林函数数值计算方法 21
2.3.1 待定函数的自适应采样 22
2.3.2 采样数据的拟合 22
2.3.3 拟合数据的积分变换 25
2.4 水平分层土壤电流场格林函数优化计算方法 26
2.4.1 场点和源点均在地表的电流场格林函数 26
2.4.2 电流场格林函数中积分核函数的性质 27
2.4.3 全局采样复镜像法的计算结果分析 30
2.4.4 电流场格林函数的分段采样计算方法 35
2.5 工程实例分析 38
2.5.1 电阻率单调的水平分层土壤电流场格林函数计算 40
2.5.2 简单水平分层土壤电流场格林函数计算 42
2.5.3 复杂水平分层土壤电流场格林函数计算 44
参考文献 47
第三章 水平分层土壤电阻率测量及其参数计算 49
3.1 土壤的基本特性 49
3.1.1 土壤的结构特性 49
3.1.2 土壤的导电特性 50
3.1.3 土壤的季节系数 53
3.2 土壤电阻率的测量方法 53
3.2.1 土壤试样分析法 53
3.2.2 土壤电探测法 54
3.2.3 土壤电磁探测法 57
3.3 水平分层土壤参数对视在电阻率的影响 57
3.3.1 水平分层土壤中Wenner四极法的测量原理 58
3.3.2 不同土壤参数下水平2层土壤的视在电阻率分布 59
3.3.3 不同土壤参数下水平3层土壤的视在电阻率分布 60
3.3.4 不同土壤参数下水平4层土壤的视在电阻率分布 61
3.3.5 不同土壤参数下水平5层土壤的视在电阻率分布 63
3.3.6 不同土壤参数下水平n层土壤的视在电阻率分布 65
3.4 水平分层土壤参数的反演计算方法 65
3.4.1 反演计算的目标函数 65
3.4.2 非启发式优化算法 66
3.4.3 启发式优化算法 70
3.4.4 改进启发式优化算法 75
3.5 工程实例分析 80
3.5.1 对比非启发式优化算法 80
3.5.2 对比启发式智能优化算法 83
3.5.3 对比改进启发式优化算法 85
参考文献 88
第四章 接地网的接地参数计算 90
4.1 均匀土壤中的接地参数计算 90
4.1.1 半球形接地极的接地电阻计算 90
4.1.2 圆柱形接地极的接地电阻计算 91
4.1.3 扁钢和角钢接地极的接地电阻计算 93
4.1.4 圆环接地极的接地电阻计算 93
4.2 水平分层土壤中的接地参数计算 94
4.2.1 接地网不等电位矩阵计算 95
4.2.2 不等电位矩阵的元素计算 96
4.3 工程实例分析 101
4.3.1 水平接地极接地参数计算 102
4.3.2 杆塔接地网接地参数分析 103
4.3.3 模拟接地网参数分析 104
参考文献 105
第五章 土壤中接地极的腐蚀过程 107
5.1 接地极的自然腐蚀行为 107
5.1.1 接地极自然腐蚀微观机理 107
5.1.2 接地极腐蚀形变的数学描述 112
5.1.3 接地极自然腐蚀过程分析 116
5.2 直流电流作用下接地极的腐蚀行为 121
5.2.1 接地极直流腐蚀微观机理 121
5.2.2 接地极直流腐蚀溶解和腐蚀产物沉积过程 124
5.2.3 接地极直流腐蚀过程分析 124
5.3 交流电流作用下接地极的自然腐蚀行为 134
5.3.1 接地极交流腐蚀微观机理 134
5.3.2 接地极交流腐蚀过程分析 136
参考文献 142
第六章 腐蚀接地网接地参数数值计算方法 140
6.1 腐蚀产物的理化特性分析 140
6.1.1 接地极腐蚀产物的物相分析 141
6.1.2 接地极腐蚀产物的微观结构分析 142
6.2 腐蚀产物对接地网接地参数的影响 144
6.2.1 腐蚀接地网接地参数的有限元分析理论 144
6.2.2 开域边界条件的处理方法 145
6.2.3 腐蚀接地网有限元分析模型 145
6.2.4 不同腐蚀程度下接地网的接地参数 147
6.3 腐蚀接地网精细化计算模型 150
6.4 腐蚀接地网接地参数的计算方法 153
6.4.1 边界元法的计算原理 153
6.4.2 基于边界元法的腐蚀接地网电位矩阵 156
6.5 工程实例分析 159
6.5.1 腐蚀水平接地极接地参数计算 160
6.5.2 腐蚀杆塔接地网接地参数计算 162
6.5.3 腐蚀简化接地网接地参数计算 163
参考文献 164
第七章 工频接地电阻的测量方法 166
7.1 **工频接地电阻测量方法 166
7.1.1 钳表法 166
7.1.2 三极法 167
7.1.3 多极法 169
7.1.4 高频并联法 172
7.2 选频式工频接地电阻测量方法 174
7.2.1 选频式杆塔接地电阻测量模型 174
7.2.2 选频式杆塔接地电阻测量方法 179
7.2.3 选频式杆塔接地电阻测量方法的影响因素分析 183
7.2.4 工程实例分析 187
7.3 短距离布极工频接地电阻测量方法 191
7.3.1 基于格林定理的工频接地电阻测量模型 191
7.3.2 基于格林定理的工频接地电阻测量方法 199
7.3.3 工程实例分析 203
参考文献 210
第八章 杆塔冲击接地电阻的测量方法 212
8.1 雷电流的频域特性 212
8.1.1 雷电流频域分析基本理论 212
8.1.2 雷电流连续频谱特性 214
8.1.3 雷电流离散频谱特性 216
8.1.4 雷电流离散频域范围确定 217
8.2 土壤介质的频域特性 219
8.2.1 土壤介质的频散原理 219
8.2.2 土壤电阻率和介电常数计算方法 220
8.3 **冲击接地电阻测量法 221
8.3.1 试验测量法 221
8.3.2 冲击系数近似法 222
8.4 基于离散异频的冲击接地电阻测量方法 223
8.4.1 典型杆塔接地网的冲击接地电阻计算 223
8.4.2 水平接地极冲击接地电阻计算方法 225
8.4.3 方框射线型杆塔接地网冲击接地电阻计算方法 243
8.5 工程实例分析 249
8.5.1 水平接地极冲击接地电阻测量 249
8.5.2 方框射线型杆塔接地网冲击接地电阻测量 251
参考文献 252
第九章 杆塔接地网的腐蚀诊断方法 253
9.1 杆塔接地导体方位判断方法 253
9.1.1 杆塔接地导体方位判断原理 253
9.1.2 杆塔接地导体方位判断影响因素 260
9.1.3 算例分析 262
9.2 杆塔接地引下线腐蚀断裂诊断方法 265
9.2.1 接地引下线断裂识别原理 265
9.2.2 算例分析 265
9.3 基于相对接地电阻的杆塔接地网腐蚀程度方法 269
9.3.1 相对接地电阻计算方法 269
9.3.2 基于相对接地电阻的腐蚀程度判断方法 273
9.3.3 影响因素分析 276
9.3.4 工程实例分析 280
9.4 杆塔接地网腐蚀程度综合评估方法 285
9.4.1 基于模糊理论的腐蚀程度综合评估模型 285
9.4.2 综合主客观赋权的评估因素权重确定 288
9.4.3 腐蚀性隶属度的计算方法 292
9.4.4 腐蚀程度综合评估与接地极剩余寿命预测方法 294
9.4.5 工程实例分析 296
参考文献 297
彩版 299