浅论安谷水电站接地系统设计

向重平， 张 梅

(四川省水利水电勘测设计研究院， 四川 成都 610072)

浅论安谷水电站接地系统设计

向重平， 张 梅

(四川省水利水电勘测设计研究院， 四川 成都 610072)

安谷水电站接地系统采用自然接地体和人工接地体相结合的方式，在大坝、主副厂房、GIS楼等各处敷设均压网来降低接触电势和跨步电势，在机旁屏、高低压开关柜、GIS室汇控柜、中控室和继保室等处敷设等电位接地网以减少对二次回路的干扰。通过将各处接地网联通，形成一个安全可靠的总接地网。通过计算和实测表明，接地电阻、接触电势和跨步电势均满足规范要求。

接地设计、接地电阻、接触电势、跨步电势、等电位

1 概 况

安谷水电站工程是大渡河干流梯级开发中的最后一级，坝址位于乐山市市中区与沙湾区接壤的安谷河段生姜坡。电站装机容量772 MW，装设4台单机容量为190 MW和1台12 MW的轴流转桨式水轮发电机组，多年平均发电量31.44亿kW·h。发电机侧采用发电机-变压器组单元接线，高压侧电压等级为220 kV，采用双母线接线，共有两回出线接入系统。工程枢纽主要由非溢流坝、泄洪冲沙闸、左岸副坝、右岸太平副坝、电站主厂房、尾水渠、船闸等建筑物组成。

2 接地系统设计的重要意义、依据和内容

接地系统设计是电站电气一次设计的一个重要组成部分，它与电气设备和人员的安全息息相关。随着电力系统的发展，接地短路电流也越来越大，接地问题也日渐突出。由于接地问题造成的设备损坏、电站停运等事故，不仅带来巨大的经济损失，还会产生重大的社会影响。故为确保电站的安全稳定运行，必须对接地系统进行合理设计。

安谷电站接地系统设计依据《交流电气装置的接地设计规范》(GB50065-2011)、《水力发电厂接地设计技术导则》(DL/T5091-1999)和《水电站机电设计手册》(电气一次部分)。衡量接地系统安全性的指标有接地电阻、跨步电势和接触电势。

3 安谷水电站接地方案

安谷水电站接地网首先考虑充分利用电站埋在地下、水下及混凝土中的钢筋和金属构件等自然接地体，用50 mm×6 mm(宽×高,下同)的镀锌扁钢连成一体，作为接地网的一部分与人工接地网相连。另外还需敷设以水平接地极为主的人工接地网，采用50 mm×6 mm的镀锌扁钢水平敷设成网状。人工接地体分别布置在坝前的水下、坝基内、主厂房及尾水渠的底板下、GIS楼的基础下。各部分接地网用不少于2根50 mm×6 mm的镀锌扁钢连接，构成一个具有良好电气通路的全厂总接地网，这样可以大大地降低接地电阻值。各处上引的接地干线均与沿接地干线的主钢筋、金属构件等自然接地体连通，镀锌扁钢的连接均采用焊接方式，扁钢焊接时的搭接长度不少于扁钢宽度的2倍。全厂需要接地的电气设备均采用扁钢与接地网相连。防雷接地则须有自己独立的接地体，必要时也可在接入独立的接地体后再与主接地网相连。

3.1 大坝及尾水接地网

电站坝区泄洪冲砂闸段敷设有底板接地网和坝顶接地网，两层接地网之间通过-50 mm×6 mm的镀锌扁钢形成电气通路，连接点不少于2个。底板接地网面积约为215 m×34 m，网格大小约为7.5 m×8.5 m。尾水接地网面积约为120 m×80 m，网格大小约为20 m×27 m。另外，底板钢筋应交叉焊接成电气通路。人工接地网与钢筋网和金属构件等自然接地体可靠焊接成整体。

3.2 厂区接地网

厂区接地网主要由人工接地网和钢筋网构成。厂区敷设有底板接地网、蜗壳层接地网、水轮机层接地网、发电机层接地网、GIS楼接地网。各层接地网之间都通过-50 mm×6 mm的镀锌扁钢连通，形成电气通路。各层之间的连接点不少于2个。厂区底板接地网面积约为220 m×90 m，网格大小约为20 m×30 m。上层接地网根据厂房结构按网格大小约为5 m×5 m的等电位接地网敷设，以达到较好的均压效果。各处上引的接地干线均与沿接地干线的主钢筋、金属构件等自然接地体连通，各层钢筋网也应可靠焊接，并与人工接地网连通。大坝及尾水接地网和厂区接地网之间通过不少于2点以-50 mm×6 mm的镀锌扁钢连接形成全厂的总接地网系统。

3.3 GIS室及出线场接地网

252 kV GIS室除了暗敷有网格大小约为5 m×5 m的等电位接地网外，还需在设备区域设置专用接地网。专用接地网采用60 mm×4 mm的接地铜排在设备区域明敷形成闭合网络，专用接地网与室内主接地网的连接采用铜铁过渡板，并采用螺栓连接，接触面均搪锡处理，连接点应不少于4处。220 kV出线场布置在GIS楼屋顶，屋顶暗敷有网格大小约为5 m×5 m的等电位接地网。另外，出线构架及避雷器的接地导线不与屋顶接地网直接相连，采用两根独立的接地线单独引下通过集中接地装置再与主接地网相连。

3.4 电气设备及管路接地

除照明配电箱外，所有设备及基础接地应采用不小于-50 mm×6 mm镀锌扁钢。各焊接点的搭接长度为扁钢宽度的2倍，且不少于3个棱边。采用螺栓连接时，螺栓孔应与螺杆大小相匹配，应有防松螺母或防松垫片。所有明敷接地线应涂15～100 mm宽度相等的黄绿相间的条纹标识，并在接地端有明显接地标识。各焊接点应涂刷防锈漆措施。

(1)主变及其中性点设备、出线场避雷器、电容式电压互感器等电气设备本体及设备基础应通过两根取自不同点的接地引下线可靠接地，接地扁钢需明敷至设备，且截面积不小于50 mm×6 mm，并有明显接地点和接地标识。

(2)高、低压开关柜基础槽钢必须与接地网相连，且不少于两个接地引下线连接。另外在高、低压开关柜下方明敷一根-50 mm×6 mm镀锌扁钢，并于两端与主接地网相连。开关柜除与基础槽钢焊接外还应与明敷接地线可靠连接。屏柜内的PE排两端与明敷的接地引下线连接，屏柜的外壳、门等与PE接地排可靠连接。

(3)封闭母线两端的外壳及支架与接地引下线应可靠接地，接地扁钢需明敷至设备，并有明显接地点和接地标识。当封闭母线长度大于20 m时应与接地网连接一次，在法兰和波纹管处采用-50 mm×6 mm的镀锌接地扁钢跨接地。

(4)出线场构架每根钢管立柱应通过两根取自不同点的接地引下线可靠接地，且截面积不小于50 mm×6 mm。

(5)高压电动机外壳及基础用-50 mm×6 mm接地扁钢与接地引线可靠连接。低压电动机基础与接地网可靠连接，外壳采用不小于25 mm2软铜线，且两端压接镀锡铜鼻子与接地引下线可靠连接。

(6)电缆桥架、电缆支架两端与接地网可靠接地，并有明显接地点和接地标识，每隔20 m与接地干线相连，电缆桥架的托盘两端压接镀锡铜鼻子的铜绞线(黄绿色)跨接，跨接线最小允许截面积不小于4 mm2。

(7)油管路(含主变油管路) 两端与接地网可靠连接，大于20 m处与接地网连接一次，法兰、阀门、弯头等管道连接处用不小于25 mm2的镀锌软铜辫子，两端压接镀锡铜鼻子跨接。

(8)电缆管应采用不小于40 mm×4 mm接地扁钢就近与接地网可靠接地。

3.5 等电位接地

为消除地电位差干扰，按照规范和《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》要求，安谷电站等电位接地网主要由4个区域构成：副厂房、发电机层、GIS室和坝区集控房。在副厂房继保室屏柜下层的电缆桥架，沿屏柜布置的方向敷设4 mm×25 mm的专用铜排，将该专用铜排首尾两端用放热焊接法连好，形成“目”字型闭环，构成继保室的等电位接地网。采用不少于4根截面为50 mm2的专用铜绞线分别取自该等电位接地网各处，最后合并在一起并于继保室电缆竖井处与主接地网一点连接。发电机层下游测成“一”字型分散布置有机旁屏柜，在屏柜下层的电缆桥架沿屏柜布置的方向敷设4 mm×25 mm的专用铜排。GIS室沿电缆沟方向在地面明敷4 mm×25 mm的专用铜排。在坝区集控房屏柜下层的电缆桥架，沿屏柜布置的方向敷设4 mm×25 mm的专用铜排。所有铜排均引入继保室电缆竖井处与主接地网一点连接。各处保护控制屏柜通过截面为50 mm2的专用铜绞线与等电位接地网相连。

4 安谷水电站接地计算

4.1 入地电流的计算

根据GB50065-2011附录B，发电厂、变电所内外发生接地短路时，经接地网入地的电流可分别按下列二式计算：

Ig=(Imax-Iz)(1-Kf1)

(1)

Ig=Iz(1-Kf2)

(2)

式中Imax——接地短路时的最大接地短路电流，A；

Iz——发生最大接地短路时，流经发电厂、变电所接地中性点最大接地短路电流，A；

Kf1,Kf2——接地网内外短路时，避雷线的工频分流系数，初步估计时分别取0.5，0.1。

计算用入地短路电流取两式中较大的I值。

安谷电站计算用接线见图1。

图1 计算用接线

经过网络化简，正序、负序、零序网络等值阻抗见图2、3、4。

(1)正序网络：

图2 正序网络等值阻抗

(2)负序网络：

(3)零序网络：根据运行方式，发电机侧仅计入TM1、TM5两台主变接地阻抗。

图3 负序网络等值阻抗

图4 零序网络等值阻抗

计算单相接地电流：

Id1(1)=3Ij/(X1∑+X2∑+X0∑)=31.375 kA

计算两相接地短路电流：

33.653 kA

故d1点的两相接地短路电流是最大接地短路电流，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

入地电流Ig取两者较大值，即Ig=14.88 kA。

4.2 接地导体的选择

安谷电站接地导体的材质选用镀锌扁钢，接地导体的截面，应符合载流量、短路时自动切除故障段时间以及热稳定及均压的要求。根据GB50065-2011附录E，接地导体的最小截面应符合下式：

(3)

式中Sg——接地导体的最小截面，mm2；

Ig——流过接地导体的最大接地短路电流，A；

tc——接地故障的等效持续时间，s，取tc=0.6 s；

C——接地导体的热稳定系数，钢的热稳定系数C=70。

本工程选择的接地干线截面为50 mm×6 mm，考虑腐蚀的情况下，镀锌扁钢的腐蚀率取0.065 mm/a，使用年限按30年，接地干线的截面S=(50-0.065×30)×(6-0.065×30)=194.6 mm2≥164.66 mm2，满足热稳定要求。

4.3 接地电阻的计算

4.3.1 土壤电阻率的选取

当计算时选取的土壤电阻率合适(即与实际情况靠近)，计算结果才能反映接地网的情况。由于安谷电站未提供具体的土壤电阻率，接地电阻按经验取值，厂区部分按混凝土在干土中取值，δ=1 300 Ω·m。坝区及尾水部分按混凝土在水中取值，δ=100 Ω·m。

4.3.2 接地电阻的计算

(1)根据DL/T5091-1999,安谷电站的接地网为复合式接地网，且接地面积很大，此时要考虑地网的有效利用率。计算公式如下：

(4)

式中S∑——闭合接地网的面积；

K——大型工频接地网有效利用系数。

(2)分别计算厂区和坝区及尾水的接地电阻。

厂区底板接地面积S∑=220×90+19×35=19 800+665=20 465 m2，δ=1 300 Ω·m，由规范曲线查得K=1.04，代入式(4)中得到厂区部分接地电阻：

坝区及尾水接地面积S∑=120×80+215×34=9 600+7 310=16 910 m2，δ=100 Ω·m，由规范曲线查得：K=1.21，代入式(4)中得到坝区及尾水部分接地电阻：

整个电站综合接地电阻值：

上述计算中还未考虑水工建筑物中钢筋、金属结构等自然接地体的降阻作用。

根据GB50065-2011中4.2章节，有效接地系统接地网的接地电阻宜符合下式：

R≤2 000/Ig

(5)

式中R——考虑季节变化的最大接地电阻,Ω；

Ig——流过接地网的最大接地短路电流,A。

故最大接地电阻R≤2 000/14 880=0.134 Ω。由此可见，安谷电站接地电站R=0.423 Ω未能满足该要求。事实上随着电网的发展，系统短路容量迅速扩大，系统接地故障后流经发电厂、变电站接地网的入地电流已达10 kA甚至更高，经计算安谷电站入地电流Ig为14.88 kA，地电位升高Ug=14.88×103×0.423=6 294 V。因此，式(5)的要求很难满足，可按该规范4.3.3章节要求，对接地网的接触电位差和跨步电位差进行验算，并应通过实测加以验证。

4.4 接触电位差和跨步电位差的计算

根据DL/T5091-1999中8.2章节,接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值：

(6)

(7)

式中Ej——接触电位差允许值；

Ek——跨步电位差允许值；

δb——人脚站立处地表面的土壤电阻率，取δb=5 000 Ω·m；

t——接地短路故障的持续时间，取t=0.6 s。

1 329.87 V

本文仅对安谷电站副厂房及GIS楼一层均压网的接触电位差和跨步电位差进行计算。该均压网为不等间距布置，埋深为0.7 m，沿长度方向布置的导体根数为15，沿宽度方向布置的导体根数为3，接地网长度为196 m，宽度为19 m，面积为3 724 m2，接地导体采用50 mm×6 mm的镀锌扁钢，等效直径为25 mm。

4.4.1 接触电位差的计算

根据DL/T5091-1999中8.3章节,最大接触电位差如下：

Ejm=KjEw

(8)

式中Ejm——最大接触电位差；

Kj——接触系数；

Ew——接地装置电位，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，小于允许值1 329.87 V，满足规范要求。

4.4.2 跨步电位差的计算

根据DL/T 5091-1999中8.3章节,最大跨步电位差如下：

Ekm=KkEw

(9)

式中Ekm——最大跨步电位差；

Kk——跨步系数；

Ew——接地装置电位，即Ew=Ug=IgR=6 294 V。

按照DL/T 5091-1999中公式(8.3.5)，计算得Kk=0.11，Ekm=692.34 V，小于允许值4 771.43 V，满足规范要求。

5 接地网接地电阻及电势测量

电站接地网施工完毕之后，对电站的接地系统进行了实测。实测的电阻值为0.269 Ω，比设计值0.423 Ω稍小，是由于设计值中未考虑水工建筑物中钢筋、金属结构等自然接地体的降阻作用。接地电阻如果按照实测值，那么地电位升高Ug=14.88×103×0.269=4 003 Vlt;5 kV，满足规范要求。电势测量中，换算电流为25 kA,即：按最大短路电流为25 kA注入1号发电机组本体接地极，测得接触电势差为116.1 V，最大跨步电势差为78 V，均小于规范允许值，结论与设计计算结果一致。

6 结 语

安谷电站接地系统是按照规范和手册要求进行设计的，经实测检验主接地网接触电位差和跨步电位差均满足规范要求，能够保证电气设备及运行人员的安全，确保电站安全可靠的运行。在接地系统设计中需要注意以下问题：

(1)合理选择接地网的参数：接地导体材质选用应根据电站具体土壤环境条件，力求经济技术上合理，腐蚀较严重的环境可选用铜覆钢或铜，因其较高的导电率以及耐腐蚀的特性，GB50065-2011规范已引入，并给出相关计算参数，为采用该材料进行接地系统设计提供了依据。另外设备布置密集，人员活动较多的场所，比如发电机层、继保室、中控制、主变场、GIS室及出线场等部位，均压网网格应尽量小，可采用5 m×5 m网格，边缘应做成平滑的弧形；另外，高压配电装置的出入口处加装帽檐式均压网，以进一步降低接触电位差和跨步电位差。

(2)采用接地电阻、接触电位差和跨步电位差来全面衡量接地网的安全性。随着系统的发展，系统短路容量迅速扩大，系统接地故障后流经发电厂、变电站接地网的入地电流已达10 kA甚至更高，接地电阻的要求很难满足，需要进一步验算地电位升高、接触电位差和跨步电位差，采用必要的措施来满足规范的要求，从而保证接地网的安全性。

(3)电气装置应严格按照规范要求进行接地。重要设备的基础及本体应有两根独立的接地引下线与主接地网相连，严禁设备串联接地，防雷装置应通过集中接地装置接地，再与主接地网相连。

(4)接地计算方法需按GB50065-2011更新。

入地电流计算中，式(1)和(2)中分流系数本文是按工程经验取值，规范中给出了与IEEE Std80-2000标准接轨的算法，分流系数按照出线导线参数、布置及杆塔接地电阻等参数进行计算，还计算了直流偏移分量的影响，引入了衰减系数Df；接触和跨步电位差允许值计算中引入了表层衰减系数Cs，这样更加精确更具说服力。另外，许多国外工程接地计算均要求按照IEEE标准进行，而按照国内较早版本规范的传统计算方法经常会受到质疑，因此，接地计算方法需按规范更新，以便于以后工作的开展。

(5)严格把关接地施工工艺，是接地网设计的安全性最终实现的保证，否则实测值与设计值相差较大，需要进一步采取措施直至满足规范要求。施工中钢筋之间、钢筋与接地扁钢之间以及接地扁钢之间的连接严禁采用捆扎方式，而应采用焊接方式，施工工艺严格按照设计图纸要求进行。

[1] GB50065-2011 交流电气装置的接地设计规范[S].2011.

[2] DL/T5091-1999 水力发电厂接地设计技术导则[S].1999.

[3] 水电站机电设计手册(电气一次部分)[S].水利电力出版社，1984.

2016- 08- 26

向重平(1963-)，男，四川成都人，高级工程师，从事水电工程电气一次工作。

TM862

B

1003-9805(2017)04-0036-05