向重平， 張 梅

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院， 四川 成都 610072)

淺論安谷水電站接地系統(tǒng)設(shè)計

向重平， 張 梅

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院， 四川 成都 610072)

安谷水電站接地系統(tǒng)采用自然接地體和人工接地體相結(jié)合的方式，在大壩、主副廠房、GIS樓等各處敷設(shè)均壓網(wǎng)來降低接觸電勢和跨步電勢，在機旁屏、高低壓開關(guān)柜、GIS室匯控柜、中控室和繼保室等處敷設(shè)等電位接地網(wǎng)以減少對二次回路的干擾。通過將各處接地網(wǎng)聯(lián)通，形成一個安全可靠的總接地網(wǎng)。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(guī)范要求。

接地設(shè)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(fā)中的最后一級，壩址位于樂山市市中區(qū)與沙灣區(qū)接壤的安谷河段生姜坡。電站裝機容量772 MW，裝設(shè)4臺單機容量為190 MW和1臺12 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，多年平均發(fā)電量31.44億kW·h。發(fā)電機側(cè)采用發(fā)電機-變壓器組單元接線，高壓側(cè)電壓等級為220 kV，采用雙母線接線，共有兩回出線接入系統(tǒng)。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(tǒng)設(shè)計的重要意義、依據(jù)和內(nèi)容

接地系統(tǒng)設(shè)計是電站電氣一次設(shè)計的一個重要組成部分，它與電氣設(shè)備和人員的安全息息相關(guān)。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)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(shè)備損壞、電站停運等事故，不僅帶來巨大的經(jīng)濟損失，還會產(chǎn)生重大的社會影響。故為確保電站的安全穩(wěn)定運行，必須對接地系統(tǒng)進行合理設(shè)計。

安谷電站接地系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》(GB50065-2011)、《水力發(fā)電廠接地設(shè)計技術(shù)導則》(DL/T5091-1999)和《水電站機電設(shè)計手冊》(電氣一次部分)。衡量接地系統(tǒng)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(wǎng)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(gòu)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(wǎng)的一部分與人工接地網(wǎng)相連。另外還需敷設(shè)以水平接地極為主的人工接地網(wǎng)，采用50 mm×6 mm的鍍鋅扁鋼水平敷設(shè)成網(wǎng)狀。人工接地體分別布置在壩前的水下、壩基內(nèi)、主廠房及尾水渠的底板下、GIS樓的基礎(chǔ)下。各部分接地網(wǎng)用不少于2根50 mm×6 mm的鍍鋅扁鋼連接，構(gòu)成一個具有良好電氣通路的全廠總接地網(wǎng)，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(gòu)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(shè)備均采用扁鋼與接地網(wǎng)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(wǎng)相連。

3.1 大壩及尾水接地網(wǎng)

電站壩區(qū)泄洪沖砂閘段敷設(shè)有底板接地網(wǎng)和壩頂接地網(wǎng)，兩層接地網(wǎng)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(wǎng)面積約為215 m×34 m，網(wǎng)格大小約為7.5 m×8.5 m。尾水接地網(wǎng)面積約為120 m×80 m，網(wǎng)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(wǎng)與鋼筋網(wǎng)和金屬構(gòu)件等自然接地體可靠焊接成整體。

3.2 廠區(qū)接地網(wǎng)

廠區(qū)接地網(wǎng)主要由人工接地網(wǎng)和鋼筋網(wǎng)構(gòu)成。廠區(qū)敷設(shè)有底板接地網(wǎng)、蝸殼層接地網(wǎng)、水輪機層接地網(wǎng)、發(fā)電機層接地網(wǎng)、GIS樓接地網(wǎng)。各層接地網(wǎng)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(qū)底板接地網(wǎng)面積約為220 m×90 m，網(wǎng)格大小約為20 m×30 m。上層接地網(wǎng)根據(jù)廠房結(jié)構(gòu)按網(wǎng)格大小約為5 m×5 m的等電位接地網(wǎng)敷設(shè)，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(gòu)件等自然接地體連通，各層鋼筋網(wǎng)也應可靠焊接，并與人工接地網(wǎng)連通。大壩及尾水接地網(wǎng)和廠區(qū)接地網(wǎng)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(wǎng)系統(tǒng)。

3.3 GIS室及出線場接地網(wǎng)

252 kV GIS室除了暗敷有網(wǎng)格大小約為5 m×5 m的等電位接地網(wǎng)外，還需在設(shè)備區(qū)域設(shè)置專用接地網(wǎng)。專用接地網(wǎng)采用60 mm×4 mm的接地銅排在設(shè)備區(qū)域明敷形成閉合網(wǎng)絡(luò)，專用接地網(wǎng)與室內(nèi)主接地網(wǎng)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(wǎng)格大小約為5 m×5 m的等電位接地網(wǎng)。另外，出線構(gòu)架及避雷器的接地導線不與屋頂接地網(wǎng)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(wǎng)相連。

3.4 電氣設(shè)備及管路接地

除照明配電箱外，所有設(shè)備及基礎(chǔ)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(shè)備、出線場避雷器、電容式電壓互感器等電氣設(shè)備本體及設(shè)備基礎(chǔ)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(shè)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(guān)柜基礎(chǔ)槽鋼必須與接地網(wǎng)相連，且不少于兩個接地引下線連接。另外在高、低壓開關(guān)柜下方明敷一根-50 mm×6 mm鍍鋅扁鋼，并于兩端與主接地網(wǎng)相連。開關(guān)柜除與基礎(chǔ)槽鋼焊接外還應與明敷接地線可靠連接。屏柜內(nèi)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(shè)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(wǎng)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(gòu)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(chǔ)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(chǔ)與接地網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)可靠連接，大于20 m處與接地網(wǎng)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(wǎng)可靠接地。

3.5 等電位接地

為消除地電位差干擾，按照規(guī)范和《國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》要求，安谷電站等電位接地網(wǎng)主要由4個區(qū)域構(gòu)成：副廠房、發(fā)電機層、GIS室和壩區(qū)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(shè)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(huán)，構(gòu)成繼保室的等電位接地網(wǎng)。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(wǎng)各處，最后合并在一起并于繼保室電纜豎井處與主接地網(wǎng)一點連接。發(fā)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(shè)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(qū)集控房屏柜下層的電纜橋架，沿屏柜布置的方向敷設(shè)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(wǎng)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(wǎng)相連。

4 安谷水電站接地計算

4.1 入地電流的計算

根據(jù)GB50065-2011附錄B，發(fā)電廠、變電所內(nèi)外發(fā)生接地短路時，經(jīng)接地網(wǎng)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(fā)生最大接地短路時，流經(jīng)發(fā)電廠、變電所接地中性點最大接地短路電流，A；

Kf1,Kf2——接地網(wǎng)內(nèi)外短路時，避雷線的工頻分流系數(shù)，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(jīng)過網(wǎng)絡(luò)化簡，正序、負序、零序網(wǎng)絡(luò)等值阻抗見圖2、3、4。

(1)正序網(wǎng)絡(luò)：

圖2 正序網(wǎng)絡(luò)等值阻抗

(2)負序網(wǎng)絡(luò)：

(3)零序網(wǎng)絡(luò)：根據(jù)運行方式，發(fā)電機側(cè)僅計入TM1、TM5兩臺主變接地阻抗。

圖3 負序網(wǎng)絡(luò)等值阻抗

圖4 零序網(wǎng)絡(luò)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(zhì)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(wěn)定及均壓的要求。根據(jù)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(xù)時間，s，取tc=0.6 s；

C——接地導體的熱穩(wěn)定系數(shù)，鋼的熱穩(wěn)定系數(shù)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(wěn)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(jié)果才能反映接地網(wǎng)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(jīng)驗取值，廠區(qū)部分按混凝土在干土中取值，δ=1 300 Ω·m。壩區(qū)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(jù)DL/T5091-1999,安谷電站的接地網(wǎng)為復合式接地網(wǎng)，且接地面積很大，此時要考慮地網(wǎng)的有效利用率。計算公式如下：

(4)

式中S∑——閉合接地網(wǎng)的面積；

K——大型工頻接地網(wǎng)有效利用系數(shù)。

(2)分別計算廠區(qū)和壩區(qū)及尾水的接地電阻。

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

壩區(qū)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(guī)范曲線查得：K=1.21，代入式(4)中得到壩區(qū)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(jié)構(gòu)等自然接地體的降阻作用。

根據(jù)GB50065-2011中4.2章節(jié)，有效接地系統(tǒng)接地網(wǎng)的接地電阻宜符合下式：

R≤2 000/Ig

(5)

式中R——考慮季節(jié)變化的最大接地電阻,Ω；

Ig——流過接地網(wǎng)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(wǎng)的發(fā)展，系統(tǒng)短路容量迅速擴大，系統(tǒng)接地故障后流經(jīng)發(fā)電廠、變電站接地網(wǎng)的入地電流已達10 kA甚至更高，經(jīng)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(guī)范4.3.3章節(jié)要求，對接地網(wǎng)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(jù)DL/T5091-1999中8.2章節(jié),接觸電位差和跨步電位差不應超過下列數(shù)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(xù)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(wǎng)的接觸電位差和跨步電位差進行計算。該均壓網(wǎng)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(shù)為15，沿寬度方向布置的導體根數(shù)為3，接地網(wǎng)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(jù)DL/T5091-1999中8.3章節(jié),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(shù)；

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(guī)范要求。

4.4.2 跨步電位差的計算

根據(jù)DL/T 5091-1999中8.3章節(jié),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(shù)；

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(guī)范要求。

5 接地網(wǎng)接地電阻及電勢測量

電站接地網(wǎng)施工完畢之后，對電站的接地系統(tǒng)進行了實測。實測的電阻值為0.269 Ω，比設(shè)計值0.423 Ω稍小，是由于設(shè)計值中未考慮水工建筑物中鋼筋、金屬結(jié)構(gòu)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(guī)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(fā)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(guī)范允許值，結(jié)論與設(shè)計計算結(jié)果一致。

6 結(jié) 語

安谷電站接地系統(tǒng)是按照規(guī)范和手冊要求進行設(shè)計的，經(jīng)實測檢驗主接地網(wǎng)接觸電位差和跨步電位差均滿足規(guī)范要求，能夠保證電氣設(shè)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(tǒng)設(shè)計中需要注意以下問題：

(1)合理選擇接地網(wǎng)的參數(shù)：接地導體材質(zhì)選用應根據(jù)電站具體土壤環(huán)境條件，力求經(jīng)濟技術(shù)上合理，腐蝕較嚴重的環(huán)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(guī)范已引入，并給出相關(guān)計算參數(shù)，為采用該材料進行接地系統(tǒng)設(shè)計提供了依據(jù)。另外設(shè)備布置密集，人員活動較多的場所，比如發(fā)電機層、繼保室、中控制、主變場、GIS室及出線場等部位，均壓網(wǎng)網(wǎng)格應盡量小，可采用5 m×5 m網(wǎng)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(wǎng)，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(wǎng)的安全性。隨著系統(tǒng)的發(fā)展，系統(tǒng)短路容量迅速擴大，系統(tǒng)接地故障后流經(jīng)發(fā)電廠、變電站接地網(wǎng)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(guī)范的要求，從而保證接地網(wǎng)的安全性。

(3)電氣裝置應嚴格按照規(guī)范要求進行接地。重要設(shè)備的基礎(chǔ)及本體應有兩根獨立的接地引下線與主接地網(wǎng)相連，嚴禁設(shè)備串聯(lián)接地，防雷裝置應通過集中接地裝置接地，再與主接地網(wǎng)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(shù)本文是按工程經(jīng)驗取值，規(guī)范中給出了與IEEE Std80-2000標準接軌的算法，分流系數(shù)按照出線導線參數(shù)、布置及桿塔接地電阻等參數(shù)進行計算，還計算了直流偏移分量的影響，引入了衰減系數(shù)Df；接觸和跨步電位差允許值計算中引入了表層衰減系數(shù)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(nèi)較早版本規(guī)范的傳統(tǒng)計算方法經(jīng)常會受到質(zhì)疑，因此，接地計算方法需按規(guī)范更新，以便于以后工作的開展。

(5)嚴格把關(guān)接地施工工藝，是接地網(wǎng)設(shè)計的安全性最終實現(xiàn)的保證，否則實測值與設(shè)計值相差較大，需要進一步采取措施直至滿足規(guī)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(shè)計圖紙要求進行。

[1] GB50065-2011 交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范[S].2011.

[2] DL/T5091-1999 水力發(fā)電廠接地設(shè)計技術(shù)導則[S].1999.

[3] 水電站機電設(shè)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

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1003-9805(2017)04-0036-05