发变电站良好的接地是电力系统安全运行的根本保证。随着电力系统电压等级的不断提高和系统容量的不断增大,接地故障电流和发变电站接地网的面积也不断增大,生产运行部门对于降低地网接地电阻、接触电压和跨步电压,保障电力系统安全、可靠运行的呼声越来越高。要确保人身和设备的安全,维护电力系统的可靠运行,需要改变仅强调降低接地电阻的传统观念,树立主要考虑地面接触电压和跨步电压所带来的危害这一新概念。
　　
　　在土壤电阻率较低,接地网面积限制相对宽松的地区,降低接地电阻、接触电压及跨步电压并不是特别困难。但是,许多山区或周边环境比较恶劣的变电站所处位置的土壤电阻率比较大;某些建在城市中的变电站接地系统设计则受到面积限制。如何在这些土壤电阻率高、接地网水平扩张裕度有限的地区,使变电站地网设计能够确保设备及人身安全则是许多人都关心的问题。针对工程实际中的具体问题,把设计思路仅仅局限于水平地网显然是不合适的,将接地系统向纵深方向发展是设计的必然思路。实践也证明,增设垂直接地极对于降低地网接地电阻、接触电压和跨步电压是一种行之有效的方法。
　　
　　本文的目的是采用数值计算方法系统分析垂直接地极对接地系统电气性能的影响,分析采用从加拿大引进的CDEGS软件包。垂直接地极降低接地电阻的作用以均匀土壤为例,讨论垂直极对于降低地网接地电阻的作用。假设水平地网面积为150m×150m,网格间距取15m,土壤电阻率为200Ω.m,水平导体半径r1=0.011m,垂直极长度L=50m。先分析在已有水平地网基础上增设垂直极,考虑垂直极根数N变化对接地电阻R的影响。
　　
　　为了减小水平地网对垂直接地极的屏蔽作用,垂直接地极一般布置在水平地网的外围,与外围接地导体相连。其中虚线为垂直极计算半径r2取3.5m时的接地电阻,用于模拟采用爆破接地技术施工的垂直接地极,实线为垂直接地极的半径r2取0.025m时的接地电阻,用于模拟常规尺寸的普通垂直接地极。
　　
　　垂直极根数变化对地网接地电阻的影响:其它条件不变,接地系统的接地电阻R随垂直极根数N的增加而降低,当布置的垂直接地极根数达到一定数量时,接地电阻R的减小趋于饱和,其主要原因是垂直接地极间距减小后,相互之间屏蔽作用增强的缘故。另外,垂直极显然对水平网散流有抑制作用。即添加垂直极后接地系统总的接地电阻并不是垂直极与水平网的接地电阻的简单并联,而是存在一个屏蔽系数,垂直极的根数越多,屏蔽系数越大。垂直极半径取3.5m时的降阻效果明显比半径取0.025m时要强。
　　
　　垂直极半径取3.5m是考虑到爆破制裂之后的效果。因此可以看出,采用爆破接地技术对垂直接地极进行施工,增大垂直接地极的半径,能更有效地降低接地系统的接地电阻。垂直极对接触电压和跨步电压的影响。增设垂直极对于降低地表面的最大接触电压和跨步电压也具有较大的影响。水平网同上节讨论的情况相同,垂直极计算半径取0.025m。
　　
　　增设垂直接地极对于降低接触电压和跨步电压具有非常显著的作用,当垂直极为12根时,接触电压就可降低约40%;当垂直极为32根时,接触电压可降低63.49%。而降低接触电压正是电力系统接地安全设计的主要目标之一。
　　
　　增设垂直极对于降低接触电压的原因主要有两点:一是垂直极的引入,降低了地电位升(GPR),而接触电压及跨步电压均与GPR有着直接的关系。二是因为增设垂直极后,大部分故障电流通过垂直极流入大地,相应减少了水平导体的散流量,因此地表面的水平方向电流密度大大减少,造成水平方向电场强度大大降低。