淺論抽蓄電站接地系統設計

王雄飛 李赟俐 馬鋒 高海歐

（1.安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽六安 237300；2.華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇無錫 214200；3.長沙科智防雷工程有限公司，湖南長沙 410001）

0 引言

電站內接地系統各種不同的功能性接地（系統接地、保護接地、防靜電接地）可以共用同一接地裝置，但評價標準不同。對接地網安全性的評價，主要是圍繞故障狀態下接地網中有最大入地電流時設備和人員的安全性來展開的。因此，除接地電阻外，接地網性能的評價標準還包含了設備導通性、場區地表電位梯度分布、接觸電壓、跨步電壓等接地裝置特性參數。

本文以安徽某電站為例，簡單闡述了電網接地系統的設計要素，并以規范的要求對電站的接地電阻、接觸電壓及跨步電壓進行了復核。

1 電站接地設計

1.1 設計目標

合格的接地網應能在故障狀態下地電位升高到最大時，保障人身和設備的安全。

1.2 設計要求

（1）掌握接地網施工區域的地形地貌，測量土壤及水體的電阻率，了解土壤垂直、水平的分層情況及腐蝕性。（2）了解電站區域內構建筑物的布置結構，確定可利用的自然接地體情況。（3）確定設計水平年內的最大接地故障不對稱電流有效值。（4）確定分流系數并根據分流系數計算經過接地網的最大入地故障電流。（5）計算初設接地網的接地電阻，將其與限值作比較，通過不斷優化使其達到要求。（6）在設計接地網的接地電阻達標后，計算地表的接觸電位差和跨步電位差，并將其與允許上限值進行比較。若不合格，則采取措施降低電位差或提高允許上限值。（7）確定接地裝置使用的材質，應能滿足設計年限內腐蝕性的要求。（8）確定接地裝置的規格，其截面積應能滿足機械應力及熱穩定性的要求。

1.3 設計參數

接地網主要設計參數的說明如表1所示。

表1 接地系統主要設計參數說明

1.4 設計步驟

1.4.1 調研土壤地質特性

土壤電阻率是接地系統重要設計參數，其測量方法主要有四極等距法（Wenner四極法）、四極不等距法（Schlumberger-palmer）和三極法。其計算值應由測量值乘以環境系數（濕度、溫度、含鹽量及季節影響）獲得。

水體電阻率的測量宜采用電導儀，采樣水體分3瓶盛裝，每瓶1 000 mL。計算值取3瓶采樣水體的平均值。

1.4.2 確定接地裝置的面積

根據電站區域的地理條件來確定接地網的面積，一般來說，在一定范圍內增加接地網面積是降低接地電阻的最好措施。

1.4.3 最大入地故障電流的計算

接地網最大入地故障電流IG為故障時延tf對應的衰減系數Df與額定對稱接地網入地電流Ig的乘積，其中衰減系數的精確求解非常復雜，一般可根據系統的電抗與電阻比值（X/R）進行求解（表2）。如果持續時間為表中所列數值的中間值，可采用線性插值進行求解。

表2 典型的衰減系數Df值

1.4.4 確定短路電流持續時間

故障電流持續時間與其對人體的傷害程度成正比，時間越長傷害越大。500 kV電站其短路電流持續時間為斷路器失靈保護持續時間0.4 s。

1.4.5 確定接地導體尺寸

接地導體埋在土壤中，由于電化學腐蝕，導體直徑將會隨著使用年限的增加而減小，因此接地導體的導電性及穩定性也會下降。所以，接地導體尺寸應滿足設計年限內土壤腐蝕的要求，防腐設計應根據土壤的腐蝕數據確定。若無當地的土壤腐蝕數據，也可根據同類型土壤腐蝕性地區的運行經驗確定。

滿足機械應力要求的鋼制接地體最小規格尺寸如表3所示，銅制接地材料最小規格尺寸如表4所示。

表3 鋼制接地體的最小規格

表4 銅制接地材料的最小規格

根據熱穩定條件，接地線材料為鋼、銅或鋁材的最小截面積Sjd應滿足式（1）的要求。

式中：I為故障電流最大值；C為接地導體的熱穩定系數；t為故障電流持續時間。

常用接地導體的熱穩定系數如表5所示。

表5 常用接地導體熱穩定系數

1.4.6 接觸電壓和跨步電壓允許上限值

如圖1所示，電擊的類型主要有接觸電擊和跨步電擊。造成接觸電擊的原因是接觸電位差，其是指在最大地電位升高的情況下，距離設備構架底部垂直距離2.0 m處與水平地面1.0 m處兩點間的電位差。造成跨步電擊的原因是跨步電位差，其是指在最大地電位升高的情況下，地面上水平距離為1.0 m處兩點間的電位差。

圖1 電擊分類示意圖

根據國外學者的研究，人體可承受的最大交流電流有效值Ib（單位：mA）由式（2）（3）決定：

對于體重50 kg的人：

對于體重70 kg的人：

式中：tS為通過人體電流的時間，等于接地故障的等效持續時間。

人體的電阻變動范圍很大，《交流變電站接地安全指南》（IEEE Std 80—2000）選用1 000 Ω，而我國自1979年發布《電力設備接地設計技術規程》（SDJ 8—1979）以來，一直采用1 500 Ω。人腳站在地面上時的電阻Rg可視為一個直徑16 cm金屬板置于地面上的電阻，該電阻經計算為所站區域土壤電阻率的3倍。于是，人體可承受接觸電位差和跨步電位差的限值（體重50 kg）分別可由式（4）（5）計算：

當接地裝置的表層土壤敷設了高電阻率材料時（防靜電涂層、瀝青混凝土等），根據《交流變電站接地安全指南》（IEEE Std 80—2000）的要求，接觸電位差和跨步電位差的允許上限值的計算需引入校正系數即表層衰減系數CS，計算公式如式（6）所示：

式中：ρ為下層介質的電阻率；ρS為表層高阻材質的電阻率；hS為表層高阻材質的厚度。

考慮衰減系數后，接觸電位差和跨步電位差的允許上限值分別如式（7）（8）所示：

式中：Ej為接觸電位差允許上限值（V）；Ek為跨步電位差允許上限值（V）；tS為接地故障電流持續時間（s）。

1.4.7 接地系統的初步設計

接地系統的初步設計應包含接地極的敷設位置、敷設深度、接地裝置材料、區域接地網的連接形式以及網孔的排列方式。網孔排列方式分為等間距長孔排列、等間距方孔排列及不等間距排列。因為表層土壤受季節因素影響較大，電阻率不穩定，因此可以在接地網的水平接地體上敷設部分垂直接地體。垂直接地體的敷設除減小季節因素對接地電阻的影響外，還可以起到減小大電流密度和疏散沖擊電流的作用。

1.4.8 接地系統接地電阻的計算

根據土壤的分層模型，計算接地系統的接地電阻。對于多層結構土壤中接地裝置的接地電阻，則可采用模擬仿真軟件進行計算。安徽某電站主接地網的敷設形式大致分為兩種，一種是敷設于均勻土壤中的大面積接地網，另一種是敷設于水中的水下接地網。

（1）均勻土壤中接地網電阻計算：

對于均勻土壤中面積大于100 m2的接地網，其接地電阻可以采用式（9）進行簡易計算。

式中：S為大于100 m2的閉合接地網的面積；ρ為土壤電阻率。

（2）水下接地網電阻計算：

測量出水體電阻率ρS，按圖2查出接地電阻系數KS值后，根據式（10）可計算出水下接地網電阻R。

圖2 水下接地網電阻計算系數查詢圖

利用曲線法求水下接地網電阻簡單且方便，但其限制性較大，只有在水深（H=30 m、20 m、10 m）和上下層土壤介質電阻率比值（ρ2/ρ1=2、6、10、50、100）滿足要求的情況下才能使用。文獻[1]提出了一種解析法，可以計算任意形狀的水下接地網的電阻，在實際工程中應用較為廣泛。其計算過程如下：

式中：Rn為任意形狀水下接地網電阻；α1為接地網形狀系數；R為等效正方形接地網的電阻；S為任意形狀接地網的面積；L0為任意形狀接地網的外緣長。

式中：h為水深；k為反射系數；ρ1為上層介質（水）的電阻率；ρ2為下層介質（土壤）的電阻率；L為接地網的總長度；d為接地網導體直徑。

1.4.9 接地網跨步電勢與接觸電勢的計算

接地設計的一個重要目的是保障電站區域內所有工作人員的安全，即在最嚴苛的條件下接觸電壓和跨步電壓都小于上限值。在發生接地短路時接地網地表面的最大接觸電勢和最大跨步電勢可按式（19）（20）計算：

式中：Ejm為最大接觸電位差；Ekm為最大跨步電位差；Kj為接觸系數；Kk為跨步系數；EW為接地裝置的電位。

當均壓網導體的敷設深度在0.6～0.8 m時，接觸系數與跨步系數分別按式（21）（22）進行計算[2]：

其中，Kn、Kd、Ks分別為均壓網導體根數影響系數、直徑影響系數、面積影響系數，其值可按表6所列公式進行計算。

表6 系數Kn、Kd和Ks

式中：L為均壓網接地導體總長（m）；L1為均壓網的外緣總長（m）；S為均壓網面積（m2）；h為接地裝置的埋深（m）。

2 電站接地設計參數的復核

2.1 電站接地裝置的布置

水力發電站水體豐富，能夠敷設水下接地網。相較于敷設在土壤中的常規接地網，水下接地網具有以下優勢：（1）水體電阻率較小且與接地導體的接觸更加緊密，接地電阻比敷設在土壤中更低。（2）深水的溫差較小且電阻率受季節因素的影響不大，因此水下接地網的電阻會更加穩定。（3）水底氧含量及腐蝕因素較土壤中少，因此水下接地網的腐蝕速率會更低，使用壽命更長。

安徽某抽蓄電站接地網主要分布區域有：（1）下水庫庫體；（2）上水庫庫體；（3）地下廠房；（4）業主營地。電站樞紐接地網布置如圖3所示。

圖3 電站樞紐接地網總布置圖

2.2 入地故障電流

根據設計院提供的資料，站內單相接地短路時，最大入地電流為7.5 kA；站外單相接地短路時，最大入地電流為4.58 kA；入地電流衰減系數為1.1時，入地電流計算值為7.5×1.1=8.25 kA。

2.3 土壤電阻率

電阻率取自杭州華東工程檢測技術有限公司2014年11月發布的《安徽某抽水蓄能電站巖土電阻率及水電阻率測試成功報告》。

（1）下水庫：表層水體電阻率為36.5 Ω·m，底層巖石電阻率為2 970 Ω·m。

（2）上水庫：表層水體電阻率為27.8 Ω·m，底層巖石電阻率為2 650 Ω·m。

（3）地下廠房：土壤按均勻介質考慮其電阻率為30 100 Ω·m。

（4）業主營地：土壤按均勻介質考慮其電阻率為1 164 Ω·m。

（5）開關站：表層為置換土壤，其電阻率為83 Ω·m，底層巖石電阻率為2 970 Ω·m。

2.4 地電位的計算

2.4.1 上下庫水下接地網電阻計算

抽蓄電站上下水庫的深度是經常變化的，考慮安全裕度，下庫水深計算值h取較低水位15 m，上庫水深計算值h取較低水位20 m。水庫接地網參數計算值如表7所示。

表7 水庫接地網參數表

水庫接地網計算條件不滿足曲線法要求，利用解析法進行計算，上庫水下接地網電阻為0.944 Ω，下庫水下接地網電阻為0.631 Ω。

2.4.2 營地及地下廠房接地電阻計算

營地及地下廠房土壤視為均勻介質，其電阻率分別為30 100 Ω·m、1 164 Ω·m，接地網面積分別為11 700 m2、90 000 m2，代入式（9）計算可得接地電阻分別為139 Ω、1.94 Ω。

2.4.3 聯合接地電阻計算

安徽某抽蓄電站接地裝置為電站各區域接地裝置的并聯，其接地電阻為各區域接地裝置電阻的并聯值，因連接線距離較遠，考慮屏蔽系數[3]（k=1.40）及測量誤差裕度系數（k′=1.25），其接地電阻應為R=（R上庫//R下庫//R營地//R地下廠房）×k×k′=0.5 Ω。

2.4.4 最大地電位升計算

安徽某電站接地系統的最大地電位升為其接地電阻與經接地網流入入地的最大故障電流的乘積，EW=0.5 Ω×8 250 A=4 125 V。

2.5 接觸電勢和跨步電勢計算

2.5.1 均壓網的分布

接觸電勢和跨步電勢計算選擇可能發生單相接地的500 kV設備區域，主要為500 kV開關站和地下廠房主變洞的主變壓器層。

兩處接地均采用5 m間隔的方形網格狀接地網，其設計圖如圖4、圖5所示。

圖4 開關站均壓網設計

圖5 主變區域均壓網設計（部分）

2.5.2 最大接觸電勢與跨步電勢計算

將表8的均壓網參數代入表6的方孔接地網計算公式，可得開關站區域和主變區域的接觸系數Kj分別為0.121、0.117。

表8 均壓網參數表

將接觸系數乘以最大地電位升得到最大接觸電勢，開關站區域和主變室區域最大接觸電勢分別為499 V、478.5 V。

在均壓導體埋設深度為0.8 m時，跨步系數的計算可利用簡化公式（23）：

經計算，開關站和主變室區域的跨步系數KK分別為0.057和0.067，將跨步系數乘以最大地電位升得到最大跨步電勢，開關站和主變室區域最大跨步電勢分別為234 V和277.8 V。

2.5.3 跨步電壓與接觸電壓上限值計算

通過公式（7）和（8）分別計算開關站及地下廠房區域接觸電勢、跨步電勢的允許上限值，其結果如表9所示。

表9 開關站及地下廠房區域跨步電勢與接觸電勢上限值

由上述分析可知，開關站混凝土區域在雨天潮濕時，最大接觸電壓會超過上限值，存在著一定的安全風險。

3 結論

（1）在考慮測量誤差與并聯系數的情況下，安徽某電站接地電阻為0.5 Ω，單相短路時最大地電位升為4 125 V。由于地電位超過了2 000 V，由站內通向站外的金屬管道和金屬欄桿等均有可能存在低電位引入和高電位引出的問題，需在出站處采取隔離措施。

（2）開關站區域內，瀝青區域（道路路面）、鵝卵石或碎石區域（500 kV敞開式設備區）、干混凝土區域（GIS樓、繼保樓、門衛等室內）的接觸電勢和跨步電勢均滿足要求；濕混凝土區域（草坪、戶外混凝土區）的跨步電勢滿足要求，接觸電勢不滿足要求。因此，建議在開關站下雨天會濕潤的區域（瀝青、鵝卵石區除外），如草坪、混凝土路面等，不設置金屬構件，避免產生接觸電勢。

（3）地下廠房主變壓器區域接觸電勢和跨步電勢均滿足安全要求。