陳丹燕，張光成，劉 濤，王 勇

（中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng)550081）

1 電站概況

馬馬崖一級(jí)水電站樞紐建筑物由碾壓混凝土重力壩、壩身溢流表孔、左岸引水系統(tǒng)、左岸地下廠房和尾水系統(tǒng)組成?？傃b機(jī)容量558MW，開(kāi)發(fā)任務(wù)是以發(fā)電為主，航運(yùn)次之。

電站裝機(jī)3×180+1×18MW，以220kV一級(jí)電壓、出2回接入系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)電壓側(cè)采用發(fā)電機(jī)-變壓器組單元接線，220kV出線側(cè)采用雙母線接線。站內(nèi)預(yù)留一個(gè)出線間隔的可能。為保證電站安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對(duì)本電站的接地進(jìn)行深入研究，確定了經(jīng)濟(jì)可靠的接地設(shè)計(jì)方案。

2 接地方案

全廠接地網(wǎng)由地下廠房接地網(wǎng)，大壩、進(jìn)水口、壩區(qū)變接地網(wǎng)，上游庫(kù)區(qū)水下接地網(wǎng)，中控樓接地網(wǎng)，下游尾水渠水下接地網(wǎng)及引水發(fā)電系統(tǒng)接地網(wǎng)等幾部分組成，各地網(wǎng)之間相互連接構(gòu)成整個(gè)電站的接地網(wǎng)。

在CDEGS中建立的馬馬崖一級(jí)水電站接地計(jì)算模型如圖1所示。

根據(jù)接地電阻及入地短路電流的計(jì)算，電站的接地電阻為0.958∠6.5°Ω；由于電站的最大入地短路電流為4.446kA，根據(jù)GB 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》：對(duì)于有效接地系統(tǒng)和低電阻接地系統(tǒng)，GPR應(yīng)符合下列要求：

馬馬崖一級(jí)水電站的GPR為4.446kV，已經(jīng)超過(guò)了2kV，需要對(duì)接地網(wǎng)的點(diǎn)位分布做安全性校驗(yàn)，安全性校驗(yàn)主要包括接觸電勢(shì)、跨步電勢(shì)、網(wǎng)內(nèi)電位差和地電位升是否反擊10kV避雷器的校驗(yàn)。

圖1 接地計(jì)算模型圖

3 接地設(shè)計(jì)安全性校驗(yàn)

3.1 跨步、接觸電勢(shì)校驗(yàn)

據(jù)GB/T 50065，發(fā)電廠和變電站接地網(wǎng)的接觸電位差和跨步電位差不應(yīng)超過(guò)下列二式計(jì)算所得的數(shù)值：

其中，Ut為接觸電位差允許值；Us為跨步電位差允許值；ρs為地表層的電阻率，Cs為表層衰減系數(shù)；t為接地故障電流持續(xù)時(shí)間。

取t=0.5s，考慮到變電站表層已敷設(shè)絕緣地坪，取ρsCs=1000，即接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)的允許值分別為Ut=486.5V，Us=1236.0V。

從電站開(kāi)關(guān)站邊角注入最大入地短路電流4.641kA，開(kāi)關(guān)站接地導(dǎo)體按設(shè)計(jì)圖紙布置，經(jīng)計(jì)算得到開(kāi)關(guān)站的接觸和跨步電勢(shì)如圖2、3所示。

圖2 開(kāi)關(guān)站接觸電勢(shì)色塊圖

圖3 開(kāi)關(guān)站跨步電勢(shì)色塊圖

從圖2和圖3可以看出，在開(kāi)關(guān)站邊角注入最大入地短路電流時(shí)，其最大的接觸電勢(shì)156.891V，小于允許的最大接觸電勢(shì)Ut=486.5V，最大跨步電勢(shì)為24.845V，同樣也小于允許的最大跨步電勢(shì)Us=1236.0V。

3.2 網(wǎng)內(nèi)電位差校驗(yàn)

在開(kāi)關(guān)站邊角注入最大入地短路電流4.641kA，經(jīng)計(jì)算得到各部分接地網(wǎng)的地電位和網(wǎng)內(nèi)電位差如表1所示。

表1 電站各部分接地網(wǎng)電位分布表

從表1可知，電站最大的網(wǎng)內(nèi)電位差是開(kāi)關(guān)站與上水庫(kù)電位差，為1015V，小于規(guī)程要求的2kV，因此可以保證二次設(shè)備和二次電纜的絕緣安全。

3.3 地電位升高反擊時(shí)10kV避雷器校驗(yàn)

接地網(wǎng)電位升高時(shí)對(duì)低壓避雷器的反擊可以通過(guò)圖4所示的模型進(jìn)行分析。接地網(wǎng)的電位升Ug加在避雷器端子對(duì)接地網(wǎng)間的電容CB和線路對(duì)地電容CL的串聯(lián)回路上。由于CL＞CB，所以認(rèn)為全部的地電位升都將作用在CB上，也就是避雷器上。

圖4 地電位升反擊低壓避雷器示意圖

接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要求保證電站內(nèi)所有6～10kV避雷器在地暫態(tài)電壓的反擊下不動(dòng)作，因而要求全廠的工頻接地電阻值R應(yīng)滿足：

其中U1S為6～10kV避雷器1s工頻耐受電壓（kV），Uxge為電力網(wǎng)標(biāo)稱相電壓（kV），I為入地短路電流穩(wěn)態(tài)有效值（kA）。

以10kV系統(tǒng)中額定電壓為17kV的電站型避雷器為例，其1s工頻耐受電壓約為額定電壓的1.25倍，即U1S=21.25kV，由于10kV系統(tǒng)的相電壓為5.8kV，則根據(jù)式（1）可以計(jì)算出其最大允許的穩(wěn)態(tài)地電位升為8.58kV。而對(duì)于額定電壓為13.5kV的電機(jī)用避雷器，U1S=16.88kV，則最大允許的穩(wěn)態(tài)地電位升只有6.15kV。

電站的穩(wěn)態(tài)地電位升VG=0.958×4.641kV=4.446kV，根據(jù)以上分析可知，即使是電機(jī)型的避雷器，要使地電位升反擊10kV避雷器，其GPR要達(dá)到6.15kV，馬馬崖一級(jí)水電站的GPR只有4.446kV，小于反擊避雷器的GPR，不存在接地網(wǎng)地電位升反擊10kV避雷器的問(wèn)題。

4 接地設(shè)計(jì)結(jié)論與分析

（1）大范圍土壤電阻率對(duì)接地阻抗的影響很大，當(dāng)大范圍土壤電阻率從500Ω·m增加到2000Ω·m時(shí)，接地阻抗從0.484Ω增加到了1.442Ω，增加了197.9%。

（2）接地導(dǎo)體材料對(duì)接地阻抗有一定影響，馬馬崖一級(jí)水電站采用銅材地網(wǎng)相比鋼材其接地阻抗降低了10.6%，不等電位現(xiàn)象不明顯。

（3）隨著上庫(kù)水深的增加，馬馬崖一級(jí)水電站的接地阻抗逐漸減小，因此上游水深對(duì)接地阻抗有一定的影響，但不明顯。當(dāng)上庫(kù)水深從48m增加到58m時(shí)，接地阻抗從0.960Ω降低到0.956Ω，僅降低了0.4%。若上下水庫(kù)都不蓄水，則馬馬崖一級(jí)水電站的接地阻抗為1.045∠5.978°Ω。

（4）由于廠房相對(duì)于開(kāi)關(guān)站更接近接地網(wǎng)的中心地區(qū)，散流更均勻，所以短路點(diǎn)為開(kāi)關(guān)站的接地阻抗較短路點(diǎn)為廠房時(shí)的接地阻抗大，短路點(diǎn)為開(kāi)關(guān)站邊角時(shí)的接地阻抗較短路點(diǎn)為開(kāi)關(guān)站的中心時(shí)的接地阻抗大。

（5）馬馬崖一級(jí)水電站的大范圍土壤電阻率為1233Ω·m，則其接地阻抗為0.958∠6.5°Ω。（另外，由于所采用土壤電阻率測(cè)量方法的限制，土壤電阻率的測(cè)量值與實(shí)際值會(huì)有一定差異，使接地阻抗的理論計(jì)算存在一定的誤差，最后應(yīng)以實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)）。

（6）由于馬馬崖一級(jí)水電站地處山區(qū)，擴(kuò)大接地網(wǎng)面積降阻難以實(shí)現(xiàn)，而采用深井接地和降阻劑的降阻效果皆不理想。

（7）馬馬崖一級(jí)水電站發(fā)生站內(nèi)故障時(shí)，兩相接地短路時(shí)的入地短路電流略大于單相接地短路時(shí)的入地短路電流，而站外故障時(shí)，兩相接地短路時(shí)的入地短路電流略小于單相接地短路時(shí)的入地短路電流。

（8）站內(nèi)短路時(shí)，若電站接地電阻取0.85Ω，桿塔接地電阻取30Ω，則最大入地短路電流穩(wěn)態(tài)有效值為1.661kA。

（9）站外短路時(shí)，入地短路電流與短路點(diǎn)有關(guān)，隨著短路點(diǎn)離電站距離的增大，入地短路電流呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。直至短路發(fā)生在站外第22基桿塔時(shí)入地短路電流達(dá)到最大，最大入地短路電流的穩(wěn)態(tài)有效值為3.315kA。

（10）馬馬崖一級(jí)水電站站內(nèi)電源強(qiáng)于系統(tǒng)電源，所以站外短路時(shí)入地短路電流較大。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，最嚴(yán)重情況下入地短路電流穩(wěn)態(tài)有效值為3.315kA，取直流分量的衰減系數(shù)為1.4，則考慮暫態(tài)效應(yīng)后入地短路電流為4.641kA。

（11）馬馬崖一級(jí)水電站的GPR為4.446kV，已經(jīng)超過(guò)了2kV，需要對(duì)接地網(wǎng)的電位分布做安全性校驗(yàn)，安全性校驗(yàn)主要包括接觸電勢(shì)、跨步電勢(shì)、網(wǎng)內(nèi)電位差和地電位升是否反擊10kV避雷器的校驗(yàn)。

（12）在開(kāi)關(guān)站邊角注入最大入地短路電流4.641kA時(shí)，開(kāi)關(guān)站的最大接觸電勢(shì)156.891V，小于允許的最大接觸電勢(shì)Ut=486.5V，最大跨步電勢(shì)為24.845V，同樣也小于允許的最大跨步電勢(shì)Us=1236.0V。

（13）在開(kāi)關(guān)站邊角注入最大入地短路電流4.641kA時(shí)，馬馬崖一級(jí)水電站最大的網(wǎng)內(nèi)電位差是開(kāi)關(guān)站與上水庫(kù)電位差，為1015V，小于規(guī)程要求的2kV，因此可以保證二次設(shè)備和二次電纜的絕緣安全。

（14）馬馬崖一級(jí)水電站的穩(wěn)態(tài)地電位升VG=0.958×4.641kV=4.446kV，即使是電機(jī)型的避雷器，要使地電位升反擊10kV避雷器，其GPR要達(dá)到6.15kV，馬馬崖一級(jí)水電站的GPR只有4.446kV，小于反擊避雷器的GPR，不存在接地網(wǎng)地電位升反擊10kV避雷器的問(wèn)題。

（15）馬馬崖水電站在基建與運(yùn)行時(shí)注意了高電位引出、地電位引入的問(wèn)題，所有通信電纜采用光纖。

綜上，雖然馬馬崖一級(jí)水電站的土壤電阻率偏高，接地電阻較高，達(dá)到了0.958Ω（實(shí)測(cè)值0.58Ω），致使其地電位升超過(guò)了2kV，但是經(jīng)過(guò)對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行安全性分析，在上文所述的條件下，即使不采取降阻措施，電站的接地網(wǎng)仍滿足安全運(yùn)行的條件。

5 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)述馬馬崖一級(jí)水電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)與分析，通過(guò)對(duì)接地設(shè)計(jì)方案進(jìn)行安全性校驗(yàn)，電站的接地網(wǎng)滿足相關(guān)規(guī)范要求及安全運(yùn)行條件，可供大型水電站接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其安全性校驗(yàn)參考。