越南VAN CHAN電站接地系統采用IEEE指南的設計分析

陳志仙

（福建安瀾水電勘察設計院有限公司，福建 龍巖 364000）

0 引言

越南VAN CHAN（文振）電站位于越南西北部的安沛省，是一座裝機3×19 000 kW引水式電站，電氣主接線為三組一機一變的單元接線，110 kV出線兩回，我院承接了該電站施工階段的水機、電氣專業設計。

電站的水工建筑物設計方為越南國家第一電力咨詢有限公司，該電站的水工建筑物設計方案較為復雜，主副廠房分為6層，分別從106.90 m高程的蝸殼層至140.00 m高程的辦公室，升壓站位于發電廠房上游側約105 m處，在狹窄的河谷里，廠房尾水渠連接下游河道，河岸兩側為小山頭。

接地的目的是為保證電氣設備運行和人身的安全，發生接地故障時，故障電流能釋放到大地而不使設備的絕緣和電流電壓承受能力超過額定值，保證設備的可靠運行；接地故障時工作人員在故障點附近免受故障電流引起的跨步電壓以及接觸電壓對人身的傷害。具體到VAN CHAN水電站的接地系統滿足以下兩方面的技術要求：

（1）合理敷設水電站整體接地網，滿足招標書的接地電阻R＜0.5 Ω要求。

（2）電站的接地網滿足跨步電壓和接觸電壓的要求，接地做法和計算方法采用國際接地標準。

1 接地系統初步設計方案

VAN CHAN電站的樞紐布置，總體分為110 kV升壓站和廠房上游交通道、電站廠房以及尾水建筑3部分。水電站的接地網分自然接地體和人工接地體兩部分，為滿足電站接地電阻的要求，設計首先考慮充分利用自然接地體，電站廠房的土建結構中有大面積的鋼筋混凝土和金屬機構，包括主副廠房各層和廠房水下的鋼筋網格和結構柱體內的垂直主筋、引水系統的壓力鋼管、尾水金屬閘槽，尾水渠底的鋼筋網等，這些緊密連接的鋼筋網格對降低接地電阻、滿足接觸電壓和跨步電壓起著很重要的作用。將這些有效的自然接地體可靠焊接，利用排架柱內垂直主筋把廠房屋面板及各層樓板以及水下基礎鋼筋網格連接起來，整個接地系統形成一個籠型箱體，構成良好的電氣通路，可以有效降低接地電阻，同時起到散流和均衡接地體電位的作用。本電站的接地網有水下接地網鋼筋面積S1=41.85 m×58 m=2 427 m2，尾水渠鋼筋網面積S2=25 m×60 m=1 500 m2，升壓站人工均壓帶面積S3=52 m×73 m=3 796 m2，如圖1所示。

圖1 電站接地系統圖

2 接地電阻的初步計算

根據現場地質勘探資料顯示，升壓站的表層土壤為土夾礫石，多次實測的升壓站表層土壤電阻率約1 050 Ω·m，廠房水下鋼筋混凝土的電阻率約58.5 Ω·m。

涉外工程的設計慣例按照國際標準來執行，本電站接地系統主要遵守國際電子電工協會標準（IEEE），主要參考IEEE Std 80-2000《交流變電站接地安全指南》(以下簡稱IEEE Std 80)標準和IEEE Std 665-1995（R2001）《IEEE發電站接地指南》(以下簡稱IEEE Std 665)，IEEE Std 665電站接地指南與IEEE Std 80的標準基本相通，增加了電站廠房建筑物本體的接地說明，但在驗證接地安全上還是采用電站廠房外的變電站的部分來驗證，（IEEE Std 665標準已于2011年已經撤銷，但在電站建設期還在采用，IEEE Std 80現已使用2013版）。

根據電站初步設計的接地系統（圖1），由IEEE Std 80式（50）和IEEE Std 665式（1）的復合地網簡易公式初步計算有：

（1）廠房水下混凝土內敷設的接地網S1尺寸為2 427 m2，電 阻 率ρ=58.5 Ω·m，則 有：

（2）廠房尾水底板下敷設的人工接地網S2尺寸為1 500 m2，ρ=58.5 Ω·m，則有：

（3）升壓站的人工接地網S3面積3 796 m2，升 壓 站 按 單 一 土 壤 模 型，ρ=1 050 Ω·m，

3個部分的互聯接地網為并聯結構，由于各接地極間的距離相對較近，考慮各接地網間的相互屏蔽效應，計算總的電站的接地電阻有：R∑=R1∥R2∥R3=0.287 Ω＜0.5 Ω，初步計算3部分組成的接地網能滿足接地電阻的要求。

3 建設方對接地系統的審查意見

在接地系統設計方案提交審查的過程中，越南國家第一電力咨詢公司不同意廠房部分的接地設計方案，他們認為直接利用廠房內土建結構內的鋼筋網格作為接地網，當發生雷電沖擊或者電站內設備發生接地故障時，接地干線將雷電流或者入地故障電流分流至鋼筋網格時，入地電流峰值流經土建結構內的鋼筋網格，可能引起鋼筋過熱形變，影響鋼筋的受力強度，使廠房結構的安全受到威脅，必須敷設獨立的接地網格，與廠房樓板的鋼筋網格分開。這與國內大部分包括大型水電站的接地系統利用廠房結構鋼筋網做均壓帶的常規做法不同。

查閱IEEE Std 80《交流變電站接地安全指南》9.4條款中說明：“頻繁的交叉連接的地網，他們的主要作用是保證地面電位的適當控制。交叉連接使故障電流有多條穩定可靠的入地路徑、減小地網本身電位降和當某一導體失效的情況下提供一種冗余措施也是有用的”。而IEEE Std 665《IEEE發電站接地指南》的5.2.2條說明如下： “對待建筑內部混凝土地板表面的處理存在著不同的設計理念，一種觀點認為有必要在混凝土內提供一個獨立的接地網格，而另一種觀點認為：鑒于建筑內緊密的鋼筋網格和眾多連接到鋼筋網格的鋼結構的實際情況，這些混凝土板內的鋼筋網格可以作為那些需要接地設備的唯一接地導體，指南認為根據跨步電壓和接觸電壓設計的布置于混凝土板內的獨立接地網格是不需要的”。在本接地指南中的5.6.7.3條款中也明確說明“帶有金屬結構框架的建筑物通過高處安裝空氣接閃端子和底部與接地系統連接而被保護，不管怎樣，應該考慮有多個屋外的向下引接導體，為建筑物外部的閃電提供路徑。在金屬結構作為防雷系統主要導體的情況下，鋼部件連接必須形成電通路”。以上條款都說明了利用緊密連接的鋼筋網格對電站的接觸電壓和跨步電壓的安全是最有利的措施，可以利用混凝土鋼筋網和金屬結構等自然接地體形成接地網。

但在該接地指南的5.7.4條款有一條附加說明：“廣泛利用混凝土基礎和底座中的鋼筋，這類建筑的結構提供了現成的接地電極供應……為了使用鋼筋作為地網的一部分，應在鋼筋與鋼結構之間建立有效的金屬連接，當鋼筋作為接地網的一部分連接時，應認識到高接地電流可能會對結構混凝土造成損壞的風險。”顯然專家們根據此條款不同意利用廠房混凝土鋼筋網作為接地網，提出了如果要利用鋼筋混凝土構件的鋼筋作接地體時，應根據實際上的雷電流和短路故障入地電流對所利用的鋼筋熱穩定、強度和形變進行校驗，校驗后的數據如果滿足受力要求方能采用，否則接地干線宜專門敷設，并同意敷設的廠房人工接地網與尾水渠鋼筋網格和壓力鋼管連接。

由于施工現場模擬短路電流對鋼筋強度等因素的影響有難度，最終按照建設方和審查機構的要求，重新設置廠房人工接地網。

4 接地系統的修正設計

IEEE Std 665《IEEE發電站接地指南》5.2.11條文中說明：“由于利用廠房內的鋼筋網，作為接地網設計準則的跨步電壓和接觸電壓，在建筑物內部，不是人員安全須考慮的因素。主站建筑物下面的接地網通常設計有一定的間距，為接地網引上提供了足夠數量的連接點，這些間距不是由跨步電壓和接觸電壓來決定的。”也就是說本來廠房地面有足夠的根據樓板各種荷載和自重情況敷設的緊密連接的鋼筋網格，跨步電壓和接觸電壓都不是廠房內需要考慮的因素。VAN CHAN電站不能利用廠房內的鋼筋網格，因此廠房部分接地網需要設計同時滿足接地電阻和均衡電壓的鋼筋網格。

我們知道，接地電阻主要受土壤電阻率和接地網面積兩個因素決定大小，其中接地網面積是對降低電網總電阻影響最大的變量，由于廠房基礎的水下接地網不能利用，在整個電站的土壤電阻率暫時不改變的情況下，增加其他接地網的面積是比較有效的降低整體接地電阻的措施。

修正接地設計方案的主要內容是敷設廠房的人工均壓帶和增加外延的水下接地網，考慮銅導體具有電阻小、導電性能好，熱穩定性能好，同時耐腐蝕能力也強的特性，可以確保接地網多年使用的完整性，因此整個電站的接地系統采用扁銅作為各接地網的連接干線。

4.1 廠房內接地網布置

廠房各層樓板敷設人工水平均壓網，廠房土建設計樓板有700 mm厚度，在主機房各層和副廠房內的高壓開關室、低壓配電室、廠變、勵磁變室、中控室等各層樓板的混凝土內設均壓接地網，采用60 mm×8 mm的扁銅沿每層樓板敷設均壓網孔，網孔尺寸約5.5 m×5.5 m，這對滿足跨步電壓和接觸電壓起到積極的作用，廠房四周梁柱內敷設垂直的扁銅接地干線，把屋面板防雷帶和各層均壓網連接到尾水渠底板的鋼筋網格接地網，形成良好的電氣通路。一次設備的接地線采用銅絞線與均壓網連接，搭接處采用放熱焊接，保證了銅接地網的連接質量。

同時在中控室和繼電保護機房內，通過屏柜底部采用30 mm×4 mm銅排首尾連接形成等電位接地排。

4.2 外延水下接地網的布置

設計重新考慮在尾水渠外部與河床連接的水域做外延接地網，外延接地網沿著河床的寬度38 m往下游敷設160 m長度，用60 mm×6 mm鍍鋅扁鋼形成不等距接地網38 m×160 m的網格，網格尺寸約為19 m×20 m。在動水下的鋼筋網設計固定樁與河床錨固，在每個節點處用Φ22螺紋鋼筋與接地網焊接長度150 mm后沿水流方向傾斜向河床深處鉆孔深1.3 m并用快凝水泥沙漿充填鉆孔固定。外延的水下接地網與尾水渠鋼筋網可靠連接兩處以上。

5 接地系統的修正驗算

經過以上措施后，對接地網進行修正后的計算和檢驗。按照敷設的外延水下接地網的面積為S4=38 m×160 m，后期補充測得電站河水的ρ=168.3 Ω·m，計算R4=0.950 Ω，查外延水下接地網的有效利用系數曲線得K4=1.008，則電站的總的接地電阻有：R∑=R1∥R2∥R4=0.327 Ω＜0.5 Ω。

按 照IEEE Std 80式（29.32）或 者IEEE Sd 665式（7.8），廠房內的人體可承受的跨步電位差和接觸電位差（按照50 kg人體）

式中：ρs在廠房混凝土電阻率取ρs=12 000 Ω·m（在干燥的空氣中），在升壓站ρs=1 050 Ω·m，按單一的土壤電阻率考慮取Cs=1，故障持續時間ts=0.4 s得：

Etouch=3 484.83 V（廠房），Estep=13 389.08 V（廠房）

Etouch=472.29 V（升壓站），Estep=1338.91V（升壓站）

可見在廠房內允許的接觸電壓和跨步電壓比在升壓站中高得多，廠房的樓板為混凝土地面，在干燥的空氣中相當于鋪了高電阻率材料的地面，通常在廠房設備操作通道建成后操作地面都鋪有絕緣地墊，也是這個道理。

6 校驗復合接地網的地電位升GPR

按照IEEE Std 665標準5.2.11條文的思路結合IEEE Std 80規程中16.4條文中步驟7的要求：必須驗證接地電阻引起的地電位升GPR低于容許的接觸電壓，否則需要驗算網孔電壓和跨步電壓，這也說明接觸電壓是接地設計的控制條件。針對廠房和升壓站做地電位升的驗算。

根據越南第一電力咨詢公司提供的電網資料，升壓站的110 kV線路發生兩相短路接地時短路分流入地電流IG=2.250 kA最大,則按照簡易計算的接地電阻得出的地電位升：GPR=IG·Rg=2.250 0.332 Ω=747 V，小于廠房內允許接觸電壓3 484.83 V，大于升壓站的允許接觸電壓472.29 V，因此升壓站需要驗算修正后的接地網網孔電壓和跨步電壓，這也驗證了IEEE Std 665標準5.2.11條文中說明廠房內部接地網不是跨步電壓和接觸電壓的控制因素。

7 驗算升壓站的跨步電壓和接觸電壓

IEEE Std 80標準和IEEE Std 665標準中都提出了網孔電壓這個概念，網孔電壓實際上表示接地網格內可能存在的最大接觸電壓，設計需要根據升壓站的網孔電壓和跨步電壓對應與允許接觸電壓和跨步電壓進行比較。

根據IEEE Std 80式（80-93）有：

式中：D為平行導體之間的最大間距，取升壓站接地網的間隔5.6 m；

d為均壓帶等效直徑，為0.025 m；

h為網格深度，0.8 m。

為簡化計算，把修正后的升壓站接地網、尾水渠接地網以及河床3個子接地網等效為矩形網孔，其中nc、nd為1，總的接地網面積A為11 376 m2，接地網沿x方向的長度Lx=1 505 m，y方向的長度Ly=1 356 m，水平方向總的接地帶的長度Lc為2 861 m，接地網外圍長度Lp為816 m，升壓站的垂直接地棒每個長度Lr為2.5 m，總長度LR為385 m，接地網有垂直接地極Kii取1，將以上各參數帶入計算得各系 數na=7.01，nb=1.91，n=13.39，Kh=1.34，Ki=2.63，Km=0.508，Ks=0.306；LM=3 458.3，Ls=2 473最終計算出Em=912.70 V，Es=768.82 V,由計算結果看網孔電壓Em＞Etouch，跨步電壓Es＜Estep，驗證了IEEE Std 80指南16.1條文中說的跨步電壓基本比網孔電壓危險性小。

8 調整升壓站的接地系統設計

接地系統在升壓站區域的接觸電勢不能滿足要求，在IEEE Std 80指南16.6中的補救措施包括降低接地電阻、加密接地網間距、減少故障電流及入地分流和凈值進入受限制區。

由于整個電站的接地電阻和跨步電壓都滿足要求，只有升壓站的網孔電壓不能滿足允許的要求，因此用改變土壤電阻率來滿足要求在經濟上不合適；同樣采用增加均壓帶的根數，加密均壓帶的間距對接觸電勢結構系數Km的下降的作用也很小。我們知道網孔的最大接觸電勢發生在邊角網孔上，接地網邊角網孔布置到了升壓站四周的交通道路并延伸至升壓站的圍墻角外沿，參考我們國內的常見的地面采用高電阻率的材料覆蓋的做法來減少均壓網邊孔接觸電勢（這個措施在新版的IEEE Std 80-2013的16.6-f）條款中也提到了）。

設計采用現場開挖廠房基礎留下的大量礫石，在升壓站的操作通道和交通道路上及圍墻外2 m寬處鋪設150 mm厚的碎石路面，升壓站圍墻內在碎石地面上再澆筑40 mm厚的瀝青路面，利用高電阻率材料減少故障電流引起的對人身安全的威脅，同時瀝青路面對整個升壓站巡視通道的指示和運維有利。

采用調整后的升壓站接地系統，相當于雙層土壤模型，根據IEEE Std 80式27以及圖11得到Cs為0.82，鋪設了砂礫石和瀝青的表層電阻率ρs取5 000 Ω·m，則允許的接觸電壓大于Es網孔電勢912.70 V,至此，接地電阻、接觸電壓、跨步電壓均滿足了國際標準要求以及建設方的技術要求，經過調整后的接地網系統圖紙和計算成果一同交付越南第一電力咨詢公司的專家再審查，順利通過了整體的設計方案。

9 結語

在涉外工程中，不但需要參照我們國內的標準和規范，更要注意涉外工程在國際上需要采納的標準和建設方的特殊的技術要求，本次對越南VAN CHAN電站的設計中使用IEEE Std 80和IEEE Std 665接地標準的條款和計算方法，獨立敷設廠房的人工均壓帶，在接地電阻滿足要求而網孔電勢不能符合要求的情況下，采用升壓站表層鋪設高電阻率的礫石，滿足了IEEE接地標準要求的網孔電壓和跨步電壓的安全要求，完成接地系統的設計任務。