夏斌強(qiáng)，施經(jīng)緯，范傳青，鄭智勇，馬 峰

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100001；2.安徽績(jī)溪抽水蓄能有限公司，安徽省績(jī)溪縣 245300；3.長(zhǎng)沙科智防雷工程有限公司，湖南省長(zhǎng)沙市 410001）

1 前言

大中型水電站接地網(wǎng)面積很大，面積達(dá)到數(shù)萬(wàn)平方米甚至幾十萬(wàn)到百萬(wàn)平方米。大型水電站入地短路電流的數(shù)值很高，往往達(dá)到10kA甚至更大。大中型水電站接地阻抗設(shè)計(jì)值往往是零點(diǎn)幾歐，其接地阻抗事實(shí)上是包含電抗分量的。但由于《水力發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（NB/T 35050—2015）和《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50065—2011）兩本規(guī)范都只規(guī)定了接地電阻的設(shè)計(jì)值，沒有規(guī)定接地阻抗的設(shè)計(jì)值。所以本文也參照以上兩本規(guī)范只討論接地電阻設(shè)計(jì)值。

《水力發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（NB/T 35050—2015）第3章3.1.1和《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50065—2011）第3.1節(jié)的規(guī)定，不同用途和不同額定電壓的電氣設(shè)備，除另有規(guī)定者外，應(yīng)使用一個(gè)總的接地系統(tǒng)，接地電阻應(yīng)符合其中最小值的要求。也就是說大中型水電站應(yīng)采取聯(lián)合接地的方式，即各種不同功能的接地，如系統(tǒng)接地、保護(hù)接地、防雷接地、防靜電、信號(hào)接地、等電位接地網(wǎng)等共用一個(gè)主接地網(wǎng)，主接地網(wǎng)接地電阻設(shè)計(jì)值取各種功能接地的最小值。

2 接地電阻設(shè)計(jì)值的規(guī)程依據(jù)

依據(jù)《水力發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（NB/T 35050—2015）條文說明4.1.3，水力發(fā)電廠接地網(wǎng)地電位升高直接與二次系統(tǒng)的安全性相關(guān)。系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)接地網(wǎng)中流動(dòng)的電流，將在二次電纜的芯線—屏蔽層之間、或二次設(shè)備的信號(hào)線或電源線與地之間產(chǎn)生電位差。當(dāng)此電位差超過二次電纜或二次設(shè)備絕緣的工頻耐受電壓時(shí)，二次電纜或設(shè)備將會(huì)發(fā)生絕緣破壞。因此，必須將極限電位升高控制在二次系統(tǒng)安全值之內(nèi)。水電站接地電阻的最小值取決于二次系統(tǒng)對(duì)接地電阻的要求。

又依據(jù)《水力發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（NB/T 35050—2015）條文說明4.1.3，一般的二次電纜2s 工頻耐受電壓較高（≥5kV）。二次設(shè)備，如綜合自動(dòng)化設(shè)備，其工頻絕緣耐受電壓為2kV、1min。從安全出發(fā)，二次系統(tǒng)的絕緣耐受電壓可取2kV。

又依據(jù)《水力發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（NB/T 35050—2015）條文說明4.1.3，二次系統(tǒng)在短路時(shí)承受的地電位升高，還決定于二次電纜的接地方式[1]。電纜屏蔽層單端接地時(shí)，電纜屏蔽層中沒有電流流過，接地故障時(shí)二次電纜芯線上的感應(yīng)電位很小，二次電纜承受的電位差即為地電位升高。該電位差施加在二次電纜的絕緣上，因此地電位升高直接決定于二次電纜絕緣的交流耐壓及二次設(shè)備絕緣的交流耐壓值。當(dāng)電纜的屏蔽層雙端接至接地網(wǎng)時(shí)，接地故障電流注入接地網(wǎng)會(huì)有部分電流從電纜的屏蔽層中流過，將在二次電纜的芯線上感應(yīng)較高的電位，從而使作用在二次電纜的芯—屏蔽層電位差減小。對(duì)水力發(fā)電廠二次電纜的不同布置方式及不同接地故障點(diǎn)位置，清華大學(xué)通過大量的計(jì)算表明，雙端接地電纜上感應(yīng)的芯—屏蔽層電位通常不到地網(wǎng)電位升的20%。甚至對(duì)于土壤電阻率為50Ωm左右，邊長(zhǎng)大于100m 的接地網(wǎng)，即使在二次電纜屏蔽層接地點(diǎn)附近發(fā)生接地故障時(shí)，芯—屏蔽層電位小于地網(wǎng)電位升高的40%。目前，水力發(fā)電廠已實(shí)現(xiàn)保護(hù)在電氣裝置處就近設(shè)置水力發(fā)電廠內(nèi)的二次電纜一般都較短，如果二次電纜的長(zhǎng)度小于接地網(wǎng)邊長(zhǎng)的一半，則在最嚴(yán)酷的條件下，芯—屏蔽層電位差也小于40%，甚至更小。因此采用二次電纜屏蔽層雙端接地，可以將地電位升高放寬到2kV/（40%）=5kV。采用二次電纜屏蔽層雙端接地的方式，即使短路時(shí)地電位升高達(dá)到5kV，但作用在二次電纜芯—屏蔽層之間和二次設(shè)備上的電位差只有2kV，滿足了二次系統(tǒng)安全的要求。

依據(jù)有關(guān)專家的研究，二次設(shè)備（綜合自動(dòng)化設(shè)備內(nèi)部芯片和電路板）的2s工頻絕緣耐受電壓為5kV。因此，大中型水力發(fā)電廠接地電阻是受到其二次電纜和二次裝置的絕緣耐受電壓的限制，二次電纜和二次裝置的最大絕緣耐受電壓為5kV。當(dāng)與二次電纜平行一支銅質(zhì)分流線，并且把二次電纜兩端接地時(shí)，可以抑制二次電纜芯與屏蔽層之間的電位差只有2kV。

基于本文前面敘述的原因，《水力發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（NB/T 35050—2015）第4.1.1條規(guī)定了接地電阻的要求，有效接地系統(tǒng)的水力發(fā)電廠接地裝置的接地電阻宜符合式（1）要求：

式中：R——考慮到季節(jié)變化的最大接地電阻，Ω；

I——計(jì)算用的流經(jīng)接地裝置的最大入地電流，A，有效值。

《水力發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（NB/T 35050—2015）第4.1.3條，在高土壤電阻率地區(qū)或其他嚴(yán)重情況下，當(dāng)接地裝置要求作到規(guī)定的接地電阻值在技術(shù)上難以實(shí)施、經(jīng)濟(jì)上極不合理時(shí)，接地裝置電位可以放寬，以接地裝置電位（EW=IR）不超過5000V為宜。

《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50065—2011）第4.2.1條也有幾乎相同的規(guī)定。兩個(gè)規(guī)程的意思就是說大中型水電站最大接地電阻不能高于5000/I。

那么，大中型水電站接地電阻設(shè)計(jì)目標(biāo)值為：

3 科學(xué)客觀確定入地短路電流

那么要確定大中型水電站接地電阻，首先要科學(xué)確定入地短路電流的數(shù)值[2]。如安徽某電站，其輸出線路是500kV，華東調(diào)度2021年提供的單相接地短路電流為13.4kA，依據(jù)DL/T 621附錄B1計(jì)算入地短路電流，入地短路電流肯定小于最大單相接地短路電流。本文限于篇幅有限，不對(duì)入地短路電流的計(jì)算過程進(jìn)程討論。當(dāng)然考慮到電網(wǎng)未來(lái)的發(fā)展，規(guī)程允許單相接地短路電流稍微設(shè)當(dāng)調(diào)大一些，即使調(diào)大一些，安徽某電站入地短路電流取13kA足夠。由湖南某公司出具的《安徽某電站接地設(shè)計(jì)復(fù)核計(jì)算》，一回入地短路電流為25.37kA，二回入地短路電流為27.19kA，這兩個(gè)數(shù)據(jù)是調(diào)度提供的單相短路接地電流的兩倍，顯然這兩個(gè)數(shù)據(jù)不科學(xué)。

在實(shí)際工作中，往往存在把單相短路接地電流當(dāng)入地短路電流的情況。也有單位沒有通過與電網(wǎng)調(diào)度溝通，單方面把入地短路電流算得很大或過小的問題。依據(jù)文習(xí)山《三峽水利樞紐接地技術(shù)的研究》，三峽電站安裝26臺(tái)70萬(wàn)kW的發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為2240萬(wàn)kW，三峽電站入地短路也只有33.3kA[3]。如華東某水電站裝機(jī)容量為85.5萬(wàn)kW，輸出線路為220kV，此電站把入地短路電流以30kA來(lái)計(jì)算，這樣顯然是取大了，會(huì)造成接地網(wǎng)方面盲目投資，浪費(fèi)國(guó)有資產(chǎn)。如東北某電站裝機(jī)容量為140萬(wàn)kW，輸出線路為500kV，其入地短路電流按照4.7kA計(jì)算，顯然是取小了，取小的后果是可能造成極端情況下二次系統(tǒng)不穩(wěn)定。表1為華東各抽水蓄能電站最大入地短路電流的具體情況。

表1 華東各抽水蓄能電站最大入地短路電流情況Table 1 Max imum ground stort-circuit current of pumped storage power stations in East China

4 跨步電壓和接觸電壓安全值與二次裝置對(duì)地電位的關(guān)系

如果電站對(duì)地電位超過5000V，電站接地網(wǎng)接地電阻值到底行不行，如果不行的話，有哪些安全隱患？

有人認(rèn)為只要跨步電壓和接觸電壓達(dá)標(biāo)，電站對(duì)地電位超過5000V也是安全的。由《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50065—2011）條文說明4.2.2，跨步電壓和接觸電壓安全值的計(jì)算是以人身安全即人體可以承受的最大電流來(lái)進(jìn)行計(jì)算的。跨步電壓與接觸電壓值的大小是受對(duì)地電位與跨步系數(shù)及接觸系數(shù)的綜合影響。而影響接觸系數(shù)Kj與跨步系數(shù)Kk因素有很多，包含均壓帶根數(shù)、均壓帶導(dǎo)體直徑、接地網(wǎng)面積（長(zhǎng)度、寬度）、接地網(wǎng)形狀及接地網(wǎng)網(wǎng)孔數(shù)等。綜上所述，當(dāng)最大跨步電位差及最大接觸電位差不大于人體可承受限制時(shí)接地裝置的對(duì)地電位滿足人身安全的要求，但不一定能滿足二次設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的要求（EW≤5000V）。

5 與二次電纜平行敷設(shè)分流線的作用

有人說只要與二次電纜平行鋪設(shè)一支銅質(zhì)分流線，并把二次電纜屏蔽層兩端就近接主接地網(wǎng)，就可以抑制二次電纜和二次設(shè)備的對(duì)地電位低于5000V。這個(gè)觀點(diǎn)也是錯(cuò)誤的。由《水力發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（NB/T 35050—2015）條文說明4.1.3可以看出，與二次電纜平行鋪設(shè)一支銅質(zhì)分流線，把二次電纜兩端接地只能抑制5000V以內(nèi)的對(duì)地電位。當(dāng)對(duì)地電位超過5000V時(shí)，二次電纜芯與屏蔽層之間的電位會(huì)超過2kV，也就超過二次電纜的最大耐電壓2000V。

《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50065—2011）條文說明4.2.1也有類似的說明。

與二次電纜平行敷設(shè)分流線，并把二次電纜兩端接地，只能抑制二次電纜5000V以內(nèi)的對(duì)地電位，使二次電纜芯—屏蔽層的電位小于2000V，對(duì)于超過5000V的對(duì)地電位，其二次電纜芯—屏蔽層的電位大于2000V。二次電纜平行敷設(shè)的銅質(zhì)分流線更加不能抑制二次裝置內(nèi)部芯片與電路板的對(duì)地位。

6 接地電阻超過5000/I的危害

在實(shí)際工程中，如果水電站接地電阻大于5000/I，該怎么辦呢？有人說依據(jù)《水力發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（NB/T 35050—2015）第4.1.3條第5款：必要時(shí)，經(jīng)專門計(jì)算，且采取的措施可確保人身和設(shè)備安全可靠時(shí)，接地網(wǎng)對(duì)地電位高可超過5000V。規(guī)程里的意思就是說要有措施保證人身和設(shè)備安全可靠。但只是跨步電壓和接觸電壓合格，再加以二次電纜平行安裝銅質(zhì)分流線，把二次電纜接地兩端接地顯然是不夠的。到底該怎么做可以保證二次電纜和二次設(shè)備的安全，剝除一定長(zhǎng)度的二次電纜屏蔽層也只能限制二次電纜的對(duì)地電位不超過2000V。特別是怎樣保證二次系統(tǒng)二次裝置里面集成電路版和芯片的安全，NB/T 35050—2015和GB/T 50065—2011都沒有明確的規(guī)定。保證二次系統(tǒng)二次裝置里面集成電路板和芯片的安全，這個(gè)問題在全國(guó)電力系統(tǒng)都是一個(gè)科研難題，并且沒有技術(shù)規(guī)程可以遵循，筆者在國(guó)內(nèi)也暫時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)成功案例，在沒有成功案例可以參照情況下，要研究出具體方案來(lái)解決這個(gè)問題其科研經(jīng)費(fèi)和工程實(shí)施的造價(jià)也可能是一個(gè)天文數(shù)字。當(dāng)然，成本高難度大并不意味著一定沒有辦法解決，起碼從理論上講總是有具體辦法限制二次系統(tǒng)二次裝置里面集成電路板和芯片的對(duì)地電位不超過5000V。

有人說有電站的接地電阻大于5000/I，電站運(yùn)行了很多年，但電站二次系統(tǒng)沒有發(fā)生過與接地有關(guān)的故障，所以沒有必要投資解決接地電阻偏大的問題。在現(xiàn)代電力系統(tǒng)里面發(fā)生單相短路接地故障本來(lái)是一個(gè)小概率的事件，但沒有發(fā)生單相短路接地故障并不能保證以后不發(fā)生單相短路接地故障。接地電阻設(shè)計(jì)值不大于5000/I，本來(lái)就保證即使發(fā)生單相短路接地故障，并且也假設(shè)繼電保護(hù)失靈的極端情況下保證二次系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性萬(wàn)無(wú)一失。如果大中型水電站接地電阻大于5000/I，電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路并且繼電保護(hù)失靈，那么二次系統(tǒng)二次裝置會(huì)出現(xiàn)死機(jī)或重啟等故障現(xiàn)象。

7 結(jié)論

大中型水電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量利用現(xiàn)有水庫(kù)或河道擴(kuò)大水下接地網(wǎng)面積，使接地電阻不大于5000/I。如抽水蓄能電站設(shè)計(jì)地網(wǎng)時(shí)，盡可能利用上庫(kù)水體和下庫(kù)水體及周邊2km以內(nèi)的低土壤電阻率區(qū)域?qū)嵤┙拥鼐W(wǎng)。山西西龍池抽水蓄能電站，其開關(guān)站靠近下庫(kù)，但為了最大限度降低接地電阻，仍然在上庫(kù)鋪滿了高規(guī)格網(wǎng)格接地網(wǎng)。又如蒲石河抽水蓄能電站，雖然開關(guān)W站與上庫(kù)相距較遠(yuǎn)，但也在上庫(kù)設(shè)計(jì)了高規(guī)格的網(wǎng)格地網(wǎng)。以安徽某抽水蓄能電站為例，設(shè)計(jì)地網(wǎng)時(shí)只是利用了下庫(kù)及下庫(kù)周邊敷設(shè)了35萬(wàn)m2的接地網(wǎng)，也設(shè)計(jì)了上下庫(kù)地網(wǎng)通過輸水管互聯(lián)互通，此電站完全可以利用上庫(kù)30萬(wàn)m2的水體敷設(shè)地網(wǎng)，使此電站接地電阻再降低一個(gè)層次。又如華東某大型水電站，大壩上游水體面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抽水蓄能電站上下庫(kù)面積之和，有數(shù)百萬(wàn)平方米的水庫(kù)可以實(shí)施地網(wǎng)，完全有條件使地網(wǎng)接地電阻降到2000/I以內(nèi)。又如華北某抽水蓄能電站，其下庫(kù)為河道筑壩而成，設(shè)計(jì)時(shí)只利用了下庫(kù)面積的三分之一，即20萬(wàn)m2敷設(shè)地網(wǎng)，下庫(kù)還有40萬(wàn)m2的水體沒有敷設(shè)地網(wǎng)，如果完全利用下庫(kù)面積敷設(shè)地網(wǎng)，此電站接地電阻也可以達(dá)到2000/I以內(nèi)。

本文也呼吁國(guó)內(nèi)接地專家多開展一些接地電阻大于5000/I的前提條件下，有哪些切實(shí)可行的措施可以限制二次系統(tǒng)二次裝置里面集成電路板和芯片的對(duì)地電位不超過5000V。