淺論安谷水電站接地系統設計

向重平， 張 梅

(四川省水利水電勘測設計研究院， 四川 成都 610072)

淺論安谷水電站接地系統設計

向重平， 張 梅

(四川省水利水電勘測設計研究院， 四川 成都 610072)

安谷水電站接地系統采用自然接地體和人工接地體相結合的方式，在大壩、主副廠房、GIS樓等各處敷設均壓網來降低接觸電勢和跨步電勢，在機旁屏、高低壓開關柜、GIS室匯控柜、中控室和繼保室等處敷設等電位接地網以減少對二次回路的干擾。通過將各處接地網聯通，形成一個安全可靠的總接地網。通過計算和實測表明，接地電阻、接觸電勢和跨步電勢均滿足規范要求。

接地設計、接地電阻、接觸電勢、跨步電勢、等電位

1 概 況

安谷水電站工程是大渡河干流梯級開發中的最后一級，壩址位于樂山市市中區與沙灣區接壤的安谷河段生姜坡。電站裝機容量772 MW，裝設4臺單機容量為190 MW和1臺12 MW的軸流轉槳式水輪發電機組，多年平均發電量31.44億kW·h。發電機側采用發電機-變壓器組單元接線，高壓側電壓等級為220 kV，采用雙母線接線，共有兩回出線接入系統。工程樞紐主要由非溢流壩、泄洪沖沙閘、左岸副壩、右岸太平副壩、電站主廠房、尾水渠、船閘等建筑物組成。

2 接地系統設計的重要意義、依據和內容

接地系統設計是電站電氣一次設計的一個重要組成部分，它與電氣設備和人員的安全息息相關。隨著電力系統的發展，接地短路電流也越來越大，接地問題也日漸突出。由于接地問題造成的設備損壞、電站停運等事故，不僅帶來巨大的經濟損失，還會產生重大的社會影響。故為確保電站的安全穩定運行，必須對接地系統進行合理設計。

安谷電站接地系統設計依據《交流電氣裝置的接地設計規范》(GB50065-2011)、《水力發電廠接地設計技術導則》(DL/T5091-1999)和《水電站機電設計手冊》(電氣一次部分)。衡量接地系統安全性的指標有接地電阻、跨步電勢和接觸電勢。

3 安谷水電站接地方案

安谷水電站接地網首先考慮充分利用電站埋在地下、水下及混凝土中的鋼筋和金屬構件等自然接地體，用50 mm×6 mm(寬×高,下同)的鍍鋅扁鋼連成一體，作為接地網的一部分與人工接地網相連。另外還需敷設以水平接地極為主的人工接地網，采用50 mm×6 mm的鍍鋅扁鋼水平敷設成網狀。人工接地體分別布置在壩前的水下、壩基內、主廠房及尾水渠的底板下、GIS樓的基礎下。各部分接地網用不少于2根50 mm×6 mm的鍍鋅扁鋼連接，構成一個具有良好電氣通路的全廠總接地網，這樣可以大大地降低接地電阻值。各處上引的接地干線均與沿接地干線的主鋼筋、金屬構件等自然接地體連通，鍍鋅扁鋼的連接均采用焊接方式，扁鋼焊接時的搭接長度不少于扁鋼寬度的2倍。全廠需要接地的電氣設備均采用扁鋼與接地網相連。防雷接地則須有自己獨立的接地體，必要時也可在接入獨立的接地體后再與主接地網相連。

3.1 大壩及尾水接地網

電站壩區泄洪沖砂閘段敷設有底板接地網和壩頂接地網，兩層接地網之間通過-50 mm×6 mm的鍍鋅扁鋼形成電氣通路，連接點不少于2個。底板接地網面積約為215 m×34 m，網格大小約為7.5 m×8.5 m。尾水接地網面積約為120 m×80 m，網格大小約為20 m×27 m。另外，底板鋼筋應交叉焊接成電氣通路。人工接地網與鋼筋網和金屬構件等自然接地體可靠焊接成整體。

3.2 廠區接地網

廠區接地網主要由人工接地網和鋼筋網構成。廠區敷設有底板接地網、蝸殼層接地網、水輪機層接地網、發電機層接地網、GIS樓接地網。各層接地網之間都通過-50 mm×6 mm的鍍鋅扁鋼連通，形成電氣通路。各層之間的連接點不少于2個。廠區底板接地網面積約為220 m×90 m，網格大小約為20 m×30 m。上層接地網根據廠房結構按網格大小約為5 m×5 m的等電位接地網敷設，以達到較好的均壓效果。各處上引的接地干線均與沿接地干線的主鋼筋、金屬構件等自然接地體連通，各層鋼筋網也應可靠焊接，并與人工接地網連通。大壩及尾水接地網和廠區接地網之間通過不少于2點以-50 mm×6 mm的鍍鋅扁鋼連接形成全廠的總接地網系統。

3.3 GIS室及出線場接地網

252 kV GIS室除了暗敷有網格大小約為5 m×5 m的等電位接地網外，還需在設備區域設置專用接地網。專用接地網采用60 mm×4 mm的接地銅排在設備區域明敷形成閉合網絡，專用接地網與室內主接地網的連接采用銅鐵過渡板，并采用螺栓連接，接觸面均搪錫處理，連接點應不少于4處。220 kV出線場布置在GIS樓屋頂，屋頂暗敷有網格大小約為5 m×5 m的等電位接地網。另外，出線構架及避雷器的接地導線不與屋頂接地網直接相連，采用兩根獨立的接地線單獨引下通過集中接地裝置再與主接地網相連。

3.4 電氣設備及管路接地

除照明配電箱外，所有設備及基礎接地應采用不小于-50 mm×6 mm鍍鋅扁鋼。各焊接點的搭接長度為扁鋼寬度的2倍，且不少于3個棱邊。采用螺栓連接時，螺栓孔應與螺桿大小相匹配，應有防松螺母或防松墊片。所有明敷接地線應涂15～100 mm寬度相等的黃綠相間的條紋標識，并在接地端有明顯接地標識。各焊接點應涂刷防銹漆措施。

(1)主變及其中性點設備、出線場避雷器、電容式電壓互感器等電氣設備本體及設備基礎應通過兩根取自不同點的接地引下線可靠接地，接地扁鋼需明敷至設備，且截面積不小于50 mm×6 mm，并有明顯接地點和接地標識。

(2)高、低壓開關柜基礎槽鋼必須與接地網相連，且不少于兩個接地引下線連接。另外在高、低壓開關柜下方明敷一根-50 mm×6 mm鍍鋅扁鋼，并于兩端與主接地網相連。開關柜除與基礎槽鋼焊接外還應與明敷接地線可靠連接。屏柜內的PE排兩端與明敷的接地引下線連接，屏柜的外殼、門等與PE接地排可靠連接。

(3)封閉母線兩端的外殼及支架與接地引下線應可靠接地，接地扁鋼需明敷至設備，并有明顯接地點和接地標識。當封閉母線長度大于20 m時應與接地網連接一次，在法蘭和波紋管處采用-50 mm×6 mm的鍍鋅接地扁鋼跨接地。

(4)出線場構架每根鋼管立柱應通過兩根取自不同點的接地引下線可靠接地，且截面積不小于50 mm×6 mm。

(5)高壓電動機外殼及基礎用-50 mm×6 mm接地扁鋼與接地引線可靠連接。低壓電動機基礎與接地網可靠連接，外殼采用不小于25 mm2軟銅線，且兩端壓接鍍錫銅鼻子與接地引下線可靠連接。

(6)電纜橋架、電纜支架兩端與接地網可靠接地，并有明顯接地點和接地標識，每隔20 m與接地干線相連，電纜橋架的托盤兩端壓接鍍錫銅鼻子的銅絞線(黃綠色)跨接，跨接線最小允許截面積不小于4 mm2。

(7)油管路(含主變油管路) 兩端與接地網可靠連接，大于20 m處與接地網連接一次，法蘭、閥門、彎頭等管道連接處用不小于25 mm2的鍍鋅軟銅辮子，兩端壓接鍍錫銅鼻子跨接。

(8)電纜管應采用不小于40 mm×4 mm接地扁鋼就近與接地網可靠接地。

3.5 等電位接地

為消除地電位差干擾，按照規范和《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》要求，安谷電站等電位接地網主要由4個區域構成：副廠房、發電機層、GIS室和壩區集控房。在副廠房繼保室屏柜下層的電纜橋架，沿屏柜布置的方向敷設4 mm×25 mm的專用銅排，將該專用銅排首尾兩端用放熱焊接法連好，形成“目”字型閉環，構成繼保室的等電位接地網。采用不少于4根截面為50 mm2的專用銅絞線分別取自該等電位接地網各處，最后合并在一起并于繼保室電纜豎井處與主接地網一點連接。發電機層下游測成“一”字型分散布置有機旁屏柜，在屏柜下層的電纜橋架沿屏柜布置的方向敷設4 mm×25 mm的專用銅排。GIS室沿電纜溝方向在地面明敷4 mm×25 mm的專用銅排。在壩區集控房屏柜下層的電纜橋架，沿屏柜布置的方向敷設4 mm×25 mm的專用銅排。所有銅排均引入繼保室電纜豎井處與主接地網一點連接。各處保護控制屏柜通過截面為50 mm2的專用銅絞線與等電位接地網相連。

4 安谷水電站接地計算

4.1 入地電流的計算

根據GB50065-2011附錄B，發電廠、變電所內外發生接地短路時，經接地網入地的電流可分別按下列二式計算：

Ig=(Imax-Iz)(1-Kf1)

(1)

Ig=Iz(1-Kf2)

(2)

式中Imax——接地短路時的最大接地短路電流，A；

Iz——發生最大接地短路時，流經發電廠、變電所接地中性點最大接地短路電流，A；

Kf1,Kf2——接地網內外短路時，避雷線的工頻分流系數，初步估計時分別取0.5，0.1。

計算用入地短路電流取兩式中較大的I值。

安谷電站計算用接線見圖1。

圖1 計算用接線

經過網絡化簡，正序、負序、零序網絡等值阻抗見圖2、3、4。

(1)正序網絡：

圖2 正序網絡等值阻抗

(2)負序網絡：

(3)零序網絡：根據運行方式，發電機側僅計入TM1、TM5兩臺主變接地阻抗。

圖3 負序網絡等值阻抗

圖4 零序網絡等值阻抗

計算單相接地電流：

Id1(1)=3Ij/(X1∑+X2∑+X0∑)=31.375 kA

計算兩相接地短路電流：

33.653 kA

故d1點的兩相接地短路電流是最大接地短路電流，即Imax=33.653 kA。

Imax、Iz代入式(1)、(2)中得到

I=(33.653-3.89)(1-0.5)=14.88 kA

I=3.89×(1-0.1)=3.51 kA

入地電流Ig取兩者較大值，即Ig=14.88 kA。

4.2 接地導體的選擇

安谷電站接地導體的材質選用鍍鋅扁鋼，接地導體的截面，應符合載流量、短路時自動切除故障段時間以及熱穩定及均壓的要求。根據GB50065-2011附錄E，接地導體的最小截面應符合下式：

(3)

式中Sg——接地導體的最小截面，mm2；

Ig——流過接地導體的最大接地短路電流，A；

tc——接地故障的等效持續時間，s，取tc=0.6 s；

C——接地導體的熱穩定系數，鋼的熱穩定系數C=70。

本工程選擇的接地干線截面為50 mm×6 mm，考慮腐蝕的情況下，鍍鋅扁鋼的腐蝕率取0.065 mm/a，使用年限按30年，接地干線的截面S=(50-0.065×30)×(6-0.065×30)=194.6 mm2≥164.66 mm2，滿足熱穩定要求。

4.3 接地電阻的計算

4.3.1 土壤電阻率的選取

當計算時選取的土壤電阻率合適(即與實際情況靠近)，計算結果才能反映接地網的情況。由于安谷電站未提供具體的土壤電阻率，接地電阻按經驗取值，廠區部分按混凝土在干土中取值，δ=1 300 Ω·m。壩區及尾水部分按混凝土在水中取值，δ=100 Ω·m。

4.3.2 接地電阻的計算

(1)根據DL/T5091-1999,安谷電站的接地網為復合式接地網，且接地面積很大，此時要考慮地網的有效利用率。計算公式如下：

(4)

式中S∑——閉合接地網的面積；

K——大型工頻接地網有效利用系數。

(2)分別計算廠區和壩區及尾水的接地電阻。

廠區底板接地面積S∑=220×90+19×35=19 800+665=20 465 m2，δ=1 300 Ω·m，由規范曲線查得K=1.04，代入式(4)中得到廠區部分接地電阻：

壩區及尾水接地面積S∑=120×80+215×34=9 600+7 310=16 910 m2，δ=100 Ω·m，由規范曲線查得：K=1.21，代入式(4)中得到壩區及尾水部分接地電阻：

整個電站綜合接地電阻值：

上述計算中還未考慮水工建筑物中鋼筋、金屬結構等自然接地體的降阻作用。

根據GB50065-2011中4.2章節，有效接地系統接地網的接地電阻宜符合下式：

R≤2 000/Ig

(5)

式中R——考慮季節變化的最大接地電阻,Ω；

Ig——流過接地網的最大接地短路電流,A。

故最大接地電阻R≤2 000/14 880=0.134 Ω。由此可見，安谷電站接地電站R=0.423 Ω未能滿足該要求。事實上隨著電網的發展，系統短路容量迅速擴大，系統接地故障后流經發電廠、變電站接地網的入地電流已達10 kA甚至更高，經計算安谷電站入地電流Ig為14.88 kA，地電位升高Ug=14.88×103×0.423=6 294 V。因此，式(5)的要求很難滿足，可按該規范4.3.3章節要求，對接地網的接觸電位差和跨步電位差進行驗算，并應通過實測加以驗證。

4.4 接觸電位差和跨步電位差的計算

根據DL/T5091-1999中8.2章節,接觸電位差和跨步電位差不應超過下列數值：

(6)

(7)

式中Ej——接觸電位差允許值；

Ek——跨步電位差允許值；

δb——人腳站立處地表面的土壤電阻率，取δb=5 000 Ω·m；

t——接地短路故障的持續時間，取t=0.6 s。

1 329.87 V

本文僅對安谷電站副廠房及GIS樓一層均壓網的接觸電位差和跨步電位差進行計算。該均壓網為不等間距布置，埋深為0.7 m，沿長度方向布置的導體根數為15，沿寬度方向布置的導體根數為3，接地網長度為196 m，寬度為19 m，面積為3 724 m2，接地導體采用50 mm×6 mm的鍍鋅扁鋼，等效直徑為25 mm。

4.4.1 接觸電位差的計算

根據DL/T5091-1999中8.3章節,最大接觸電位差如下：

Ejm=KjEw

(8)

式中Ejm——最大接觸電位差；

Kj——接觸系數；

Ew——接地裝置電位，即Ew=Ug=IgR=6 294 V。

按照DL/T 5091-1999中公式(8.3.3-2)，算得Kj=0.151，Ejm=950.394 V，小于允許值1 329.87 V，滿足規范要求。

4.4.2 跨步電位差的計算

根據DL/T 5091-1999中8.3章節,最大跨步電位差如下：

Ekm=KkEw

(9)

式中Ekm——最大跨步電位差；

Kk——跨步系數；

Ew——接地裝置電位，即Ew=Ug=IgR=6 294 V。

按照DL/T 5091-1999中公式(8.3.5)，計算得Kk=0.11，Ekm=692.34 V，小于允許值4 771.43 V，滿足規范要求。

5 接地網接地電阻及電勢測量

電站接地網施工完畢之后，對電站的接地系統進行了實測。實測的電阻值為0.269 Ω，比設計值0.423 Ω稍小，是由于設計值中未考慮水工建筑物中鋼筋、金屬結構等自然接地體的降阻作用。接地電阻如果按照實測值，那么地電位升高Ug=14.88×103×0.269=4 003 Vlt;5 kV，滿足規范要求。電勢測量中，換算電流為25 kA,即：按最大短路電流為25 kA注入1號發電機組本體接地極，測得接觸電勢差為116.1 V，最大跨步電勢差為78 V，均小于規范允許值，結論與設計計算結果一致。

6 結 語

安谷電站接地系統是按照規范和手冊要求進行設計的，經實測檢驗主接地網接觸電位差和跨步電位差均滿足規范要求，能夠保證電氣設備及運行人員的安全，確保電站安全可靠的運行。在接地系統設計中需要注意以下問題：

(1)合理選擇接地網的參數：接地導體材質選用應根據電站具體土壤環境條件，力求經濟技術上合理，腐蝕較嚴重的環境可選用銅覆鋼或銅，因其較高的導電率以及耐腐蝕的特性，GB50065-2011規范已引入，并給出相關計算參數，為采用該材料進行接地系統設計提供了依據。另外設備布置密集，人員活動較多的場所，比如發電機層、繼保室、中控制、主變場、GIS室及出線場等部位，均壓網網格應盡量小，可采用5 m×5 m網格，邊緣應做成平滑的弧形；另外，高壓配電裝置的出入口處加裝帽檐式均壓網，以進一步降低接觸電位差和跨步電位差。

(2)采用接地電阻、接觸電位差和跨步電位差來全面衡量接地網的安全性。隨著系統的發展，系統短路容量迅速擴大，系統接地故障后流經發電廠、變電站接地網的入地電流已達10 kA甚至更高，接地電阻的要求很難滿足，需要進一步驗算地電位升高、接觸電位差和跨步電位差，采用必要的措施來滿足規范的要求，從而保證接地網的安全性。

(3)電氣裝置應嚴格按照規范要求進行接地。重要設備的基礎及本體應有兩根獨立的接地引下線與主接地網相連，嚴禁設備串聯接地，防雷裝置應通過集中接地裝置接地，再與主接地網相連。

(4)接地計算方法需按GB50065-2011更新。

入地電流計算中，式(1)和(2)中分流系數本文是按工程經驗取值，規范中給出了與IEEE Std80-2000標準接軌的算法，分流系數按照出線導線參數、布置及桿塔接地電阻等參數進行計算，還計算了直流偏移分量的影響，引入了衰減系數Df；接觸和跨步電位差允許值計算中引入了表層衰減系數Cs，這樣更加精確更具說服力。另外，許多國外工程接地計算均要求按照IEEE標準進行，而按照國內較早版本規范的傳統計算方法經常會受到質疑，因此，接地計算方法需按規范更新，以便于以后工作的開展。

(5)嚴格把關接地施工工藝，是接地網設計的安全性最終實現的保證，否則實測值與設計值相差較大，需要進一步采取措施直至滿足規范要求。施工中鋼筋之間、鋼筋與接地扁鋼之間以及接地扁鋼之間的連接嚴禁采用捆扎方式，而應采用焊接方式，施工工藝嚴格按照設計圖紙要求進行。

[1] GB50065-2011 交流電氣裝置的接地設計規范[S].2011.

[2] DL/T5091-1999 水力發電廠接地設計技術導則[S].1999.

[3] 水電站機電設計手冊(電氣一次部分)[S].水利電力出版社，1984.

2016- 08- 26

向重平(1963-)，男，四川成都人，高級工程師，從事水電工程電氣一次工作。

TM862

B

1003-9805(2017)04-0036-05