在变电站内 ，任何带电导体与变电站的任何其他部分（包括大地）之间都应保持一定距离。该最小距离称为“安全距离”，其计算需考虑变电站组件的特性以及操作人员在厂区内的移动等其他因素。

掌握变电站的完整信息有助于设计合适的接地装置。实际上，每个组件及其相关设备的位置都需考虑安全距离。图 1 展示了设备周围的接地系统示意图。

接地网的设计受多种参数和因素的影响，例如故障源的特性和土壤电参数。从安全角度来看，设计安全的保护接地系统至关重要，它能够为故障电流的有效流动提供最短路径，同时确保电流不会超出设定的操作和设备限值。

图 1. 接地系统及设备位置示意图（非实际案例）

鉴于此，各国制定了国家和国际标准以及地方法规，以明确接地网设计要求，并定义其中结构、电气设备和系统的相关参数。图2展示了IEEE Std 80标准的简化流程图。该图将设计流程分为四个主要阶段。

为了满足标准规章和规则规定的安全要求，通常需要进行多次迭代。所考虑的接地系统需要准确的现场数据（例如，土壤电阻率）以及可接受的设计变量范围（例如，覆盖面积、成本等）。

图2. 接地系统设计流程

二、设计初始阶段

在第一阶段，项目细节至关重要。例如，变电站的总体位置图应能准确估算出接地网的覆盖面积。

需要多次前往变电站现场进行土壤电阻率测量。应采用如图 3 所示的四针法进行一系列测量。

每次测量中，电极间的距离都会根据土壤的垂直深度而改变，而水平位置的改变则有助于检测场地内的变化。这一过程有助于确定土壤结构，并估算土壤电阻率的等效模型。

均匀土壤电阻率模型是最简单的表示方法，它只能提供一个单一的土壤电阻率值。然而，这并不能代表实际情况。为了更准确地解释土壤电阻率测量结果，可以使用其他模型，例如：一维多层模型、二维模型和三维模型。

图 3. 使用温纳配置进行测量

三、设计基本计算

腐蚀（各种类型的腐蚀）是接地网设计中必须考虑的最重要因素之一。它会损坏接地导体（导体横截面积）和连接附件。因此，故障电流和/或雷电流无法有效地耗散到土壤中，从而危及人员安全和系统运行。

因此，应选择合适的导体材料，使其不具有腐蚀性，从而确保接地系统多年保持完整性（前提是导体尺寸足够大）。导体的形状可以是圆柱形、板状或两者的组合，如图 4 所示。

图 4. 不同接地导体的示意图

接地导体还应能够在故障发生期间（包括清除时间和备用时间）传导最大故障电流。导体尺寸的选择需要考虑多种因素，例如材料的热性能、载流能力、阻抗以及土壤特性。

初始阶段的下一步骤是确定接触和跨步标准。任何意外电路的最大驱动电压均不得超过 IEEE Std 80 规定的限值。可容忍的接触和跨步电压根据表面材料的特性以及预期的最大故障电流（幅值和持续时间）来确定。 

通常，会使用高电阻率的保护性表面层（例如砾石）（如图 5 所示），以最大限度地减少流经人体的电流，从而为变电站内的人员提供安全保障。

图 5. 附加高电阻率层

在此阶段可以确定初步设计方案。根据 IEEE Std 80 标准，该设计方案应包括环绕整个接地区域的导体环，以及足够的横向导体，以便于连接设备接地等。

值得注意的是，可以根据变电站的故障电流来估算导线间距和接地棒位置。

三、验证阶段

验证阶段主要包括控制变电站内的安全措施。例如，接地电位升高（EPR，也称GPR）应低于初始阶段计算出的可容许接触电压。如果此条件得到验证，则无需在此阶段进行进一步分析。大多数情况下，需要在特定位置增加导线，以使电压降至可容许限值以下。如果计算出的接触电压和跨步电压高于可容许电压，则也应修正设计。

接地电阻率 (EPR) 是接地电阻和故障电流特性（即通过系统流入大地的电流 ）的函数。因此，需要估算接地电阻、表面电位和接地系统中的电流分布。此外，网孔电压应低于允许的接触电压，否则应修改初步设计。图 6 显示了两种接地网类型下变电站表面的电位分布。

图 6. 附加高电阻率层

利用均匀土壤模型可以估算电网的接地电阻以及初步设计中的网孔电压和跨步电压。然而，使用计算机工具并考虑不同因素（例如电流频率）可以进行更精确的估算。基于接地系统组件建模和多层土壤电阻率剖面的分析可以高精度地确定结果。

第四阶段 修改阶段

接地网设计在最终定稿前可以进行多次审查。原则上，这些修改旨在满足所有关于人员和设施安全的要求和法规。当跨接或接触耐受限值被超过时，就需要对接地网设计进行修改。

在实际应用中，工程师可能无法达到所需的接地系统电阻，因为它可能受到各种因素的影响，例如土壤电阻率的季节性变化、地下物体带来的困难、附近的机械变形等等。

根据 IEEE Std 80 标准，应审查接地设计，以消除因转移电位引起的危险以及与通信电路、轨道、管道、围栏等特殊关注区域相关的危险。

五、最终阶段

在满足跨步电压和接触电压要求后，最后阶段是通过在特定位置（例如，接地网角部）增加接地网/接地棒来增强接地系统。额外的接地棒可以打入避雷器底部和变压器中性点附近（如果适用）。如果主接地系统未覆盖变电站的某些部分，则可能需要额外的接地网/水平导线。