張 宇，馮云華

(水利部四川水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，成都，610072)

尼泊爾SANJEN水電站接地系統(tǒng)分析及計(jì)算

張 宇，馮云華

(水利部四川水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，成都，610072)

尼泊爾Sanjen水電站裝機(jī)容量43MW，應(yīng)用IEEEGuideforSafetyinACSubstationGrounding(IEEESTD80-2000)進(jìn)行接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，確保電站人員及各種設(shè)備安全。計(jì)算包括接地電阻、接地導(dǎo)體截面選擇、接觸電壓、跨步電壓及地面電位升高(GPR)等。本項(xiàng)目接地系統(tǒng)包括132kV變電站底板接地，電站廠房底板接地及尾水渠底板接地。

接地電阻 故障電流 分流系數(shù) 跨步電壓 接觸電壓 地電位升高SANJEN水電站

1 工程概況

尼泊爾SANJEN電站為引水式電站，電站裝設(shè)3臺機(jī)組，1號、2號、3號機(jī)組分別裝設(shè)1臺14.32MW立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組。

電氣主接線：3臺容量為14.32MW發(fā)電機(jī)(cosφ=0.85)分別與3臺變壓器采用單元接線，電壓等級11kV，發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口專用斷路器；高壓135.3kV側(cè)采用單母線接線，出線一回至CHILIME電站。

SANJEN電站按“無人值班”原則設(shè)計(jì)，采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制。本工程施工目前處于廠房開挖階段。

2 接地計(jì)算

2.1 計(jì)算依據(jù)

(1)根據(jù)已測得的電阻率值800Ω·m進(jìn)行接地計(jì)算，電阻率是取值與本工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)的平均測量值；

(2)地網(wǎng)上地表覆蓋一層0.08m～0.2m如瀝青之類的高電阻率土層，使站內(nèi)土壤和人腳之間的接觸電阻增加，接地故障持續(xù)時(shí)間為0.5s；

(3)在有限的工程接地面積、土壤電阻率800Ω·m的情況下，接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了離子接地體；

(4)計(jì)算的接觸電壓、跨步電壓滿足安全要求。

SANJEN電站接地系統(tǒng)接地計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 電站接地系統(tǒng)接地計(jì)算參數(shù)

2.2 故障電流計(jì)算

根據(jù)《IEEEGuideforSafetyinACSubstationGrounding(IEEESTD80-2000)》，有效非對稱故障電流If=3I0。

經(jīng)過阻抗變換，分別計(jì)算132kV母線、11kV母線接地故障短路電流值。

2.3 接地導(dǎo)體截面選擇

根據(jù)IEEE-STD80-2000表10〔1〕中可查得：

故障持續(xù)時(shí)間為0.5s，X/R=40(短路發(fā)生在主變壓器高壓側(cè))；

故障持續(xù)的時(shí)間tf內(nèi)的衰減系數(shù)Df值約為1.1。

因此，由132kV母線單相接地故障短路電流值來確定接地導(dǎo)體截面數(shù)值。

對稱電流等效值IF為20523×1.1=22575A(該電流值將被用來確定滿足接地要求的接地導(dǎo)體最小尺寸)。假定銅導(dǎo)體環(huán)境溫度為40°C，根據(jù)IEEESTD80-2000中公式(42)〔1〕與表2〔1〕得到接地導(dǎo)體截面積，考慮3s的短路持續(xù)時(shí)間(用于選擇導(dǎo)體)以及硬扎銅1084°C的熔點(diǎn)溫度，所需截面積計(jì)算結(jié)果為：

274kcmil=140mm2

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，接地導(dǎo)體的截面積須不小于140mm2，考慮到導(dǎo)體機(jī)械強(qiáng)度及耐用性要求，導(dǎo)體截面積確定為150mm2。

2.4 跨步電位差和接觸電位差允許值

本工程接地系統(tǒng)接觸電位差與跨步電位差標(biāo)準(zhǔn)，基于0.2m厚度的碎石表面，5000Ω·m的表面電阻率，以及800Ω·m的土壤平均測量電阻率，不同電阻率材料之間的反射系數(shù)K由IEEESTD80-2000中公式(21)〔1〕計(jì)算。

K=-0.72的碎石，電阻率將按衰減因子Cs≈0.72降低。衰減因子Cs可用IEEESTD80-2000中公式(27)近似表示：

電站的接地裝置在圍墻之內(nèi)，預(yù)計(jì)人員的體重約為70kg，IEEESTD80-2000中公式(30)〔1〕和(33)〔1〕可分別計(jì)算可承受的跨步電位差和接觸電位差：

=5883.8V

2.5 接地電阻

導(dǎo)體等間隔布設(shè)，其間隔D=5m，本工程廠房、升壓站以及尾水的布置方式，根據(jù)IEEE-STD80的方法建立——矩形接地計(jì)算模型，矩形面積125m×70m(包括升壓站、主廠房)、5m×20m(尾水)，然后根據(jù)矩形的長寬以及導(dǎo)體間隔，計(jì)算出所需水平接地導(dǎo)體長度。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)垂直接地極26根，每根3m長。

由IEEESTD80-2000中公式(52)〔1〕，主廠房與升壓站接地電阻為：

尾水接地電阻：

由IEEESTD-8013.1表7查得水下混凝土電阻率21～100，因此取ρ=60。

離子接地體接地電阻：

安裝20根離子接地體后的接地電阻：

根據(jù)上述計(jì)算，可得工程總接地電阻：

Rg=0.85Ω

2.6 分流系數(shù)值

由于初始接地故障電流不間斷的流動，地網(wǎng)對稱電流可以表示為Ig=Sf·(3I0)〔1〕

為了確定Ig，必須計(jì)算電流分流系數(shù)Sf。計(jì)算過程包括導(dǎo)出與地網(wǎng)相連的架空接地線、中性線等的一個(gè)等效表達(dá)式，然后求解這個(gè)等效表達(dá)式，以便確定流過地網(wǎng)和地之間的電流占總故障電流的比例，以及多大部分總故障電流流經(jīng)接地線或中性線。

Sf由許多參數(shù)決定，其中部分參數(shù)為：(1)接地故障位置；(2)本工程總接地網(wǎng)的阻抗大?。?3)與本工程直接相連的架空接地線，中性線或其它的接地回路。

IG=Df·Ig

2.7 地面電位升高(GPR)及跨步電位差和接觸電位差計(jì)算

根據(jù)IEEESTD665-1995(R2001)，地電位提升(groundpotentialrise(GPR))參考公式〔2〕，計(jì)算結(jié)果如下：

IG=Df·Sf·3·I0·Cp

IG=(1.1)(0.718)(20523)(1.25)=20261.25A

GPR=IG·|Zg|

GPR=20261.25×0.61=12359.4V

它遠(yuǎn)大于Etouch70的安全值1637.5V，因此本接地設(shè)計(jì)必需作進(jìn)一步計(jì)算。對于接地網(wǎng)的細(xì)化設(shè)計(jì)，根據(jù)IEEESTD80-2000條款16.5.1〔1〕公式仍可用于估算地網(wǎng)角位的網(wǎng)孔電壓。然而，由于地網(wǎng)是矩形，根據(jù)公式IEEESTD-80(84)～(88)〔1〕確定的因子，用于計(jì)算網(wǎng)孔電壓的n值。

n=na·nb·nc·nd

LP=125+125+70+70=390

nd=nc=1

n=(18.95)(1.02)(1)(1)=19.33

現(xiàn)由IEEESTD80-2000中公式(81)〔1〕和公式(83)〔1〕計(jì)算Km

Kii=1(對有垂直接地極的地網(wǎng))

=0.42

用IEEESTD80-2000中公式(89)計(jì)算Ki

Ki=0.644+0.148·n

Ki=0.644+0.148×19.33=3.505

最后，利用公式(80)和公式(91)〔1〕計(jì)算Em，

=4999.9V

這里計(jì)算的網(wǎng)孔電壓明顯高于1637.5V的的Etouch70上限。

因?yàn)榭绮诫妷哼€沒計(jì)算，還要用公式(92)～(94)〔1〕分別計(jì)算Es、Ls和Ks，Ki仍為3.505(與網(wǎng)孔電壓值同)。

=0.276，則

計(jì)算出角落的網(wǎng)孔電壓現(xiàn)在低于可承受的接觸電壓(即4420.78V與5883.8V的比較)，網(wǎng)孔電壓明顯高于1637.5V的Etouch70上限，因此，升壓站地面將被覆蓋一層高電阻率材料(ρs≥30000)。為得到一個(gè)安全接地的設(shè)計(jì)，可作如下計(jì)算：

當(dāng)ρs≥30000，衰減因子Cs可用IEEESTD80-2000中公式(27)〔1〕近似表示：

=8415V

Em=4999.9V

計(jì)算出角落的網(wǎng)孔電壓現(xiàn)在低于可承受的接觸電壓(即4999.9V與8415V的比較)：

=32993.9V

Es=4420.78V

算出的Es遠(yuǎn)低于可承受的跨步電壓，即4420.78V遠(yuǎn)低于32993.9V。

3 建議及結(jié)論

通過本工程接地設(shè)計(jì)，有如下結(jié)論：

4.1 確定最大短路故障電流主要來自于系統(tǒng)側(cè)短路提供。

4.2 可開展進(jìn)一步土壤電阻率測量，尤其是周圍土壤電阻率及平均天然巖土電阻率測量及試驗(yàn)，以保證計(jì)算結(jié)果更符合工程實(shí)際情況。

4.3 本工程接地網(wǎng)設(shè)計(jì)網(wǎng)格尺寸5m×5m是合適的。

4.4 采取適當(dāng)?shù)慕鉀Q措施，以使接觸電壓達(dá)到安全水平。由計(jì)算可知，“因網(wǎng)孔電壓明顯高于1637.5V的Etouch70上限，升壓站地面將被覆蓋一層高電阻率材料”。這里的高電阻率材料建議使用瀝青，厚度0.2m。

4.5 電站外延伸的任何金屬路徑，如圍欄、軌道、水管、煤氣管道、石油管道等，應(yīng)在適當(dāng)位置安裝絕緣型材或法蘭以防止?jié)撛诘霓D(zhuǎn)移電位在電站外區(qū)域，造成危險(xiǎn)的接觸和跨步電位差。

4.6 由于原生土壤的不確定性及巖石電阻率的原因，在施工過程中，應(yīng)測量系統(tǒng)接地電阻、接觸電位差和跨步電位差，并與接地計(jì)算結(jié)果比較。

4.7 敷設(shè)的表面瀝青，應(yīng)測量或測試以確保其電阻率符合要求，使接觸電壓和跨步電壓達(dá)到設(shè)計(jì)安全水平。

4.8 經(jīng)接地設(shè)計(jì)計(jì)算，本工程招標(biāo)階段接地工程量滿足施工期間接地施工要求。

〔1〕IEEESTD80-2000Copyright@2000IEEE.Allrightsreserved.

〔2〕IEEESTD665-1995(R2001)Copyright@1998IEEE.Allrightsreserved.

張 宇(1970-)，男，成都人，工程師，本科，主要研究方向電氣一次；

馮云華(1979-)，女，重慶人，工程師，本科，主要研究方向電氣一次。

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