山地风电场升压站接地系统计算研究

胡琴 王勇 杨阳 古婷婷

摘要：近年来，随着风力发电的飞速发展，作为山地风电场的设计核心部分，升压站接地系统设计在项目生命周期中显得尤为重要，本文以某山地风电场升压站接地系统设计的实际工程为例，详细进行山地风电场升压站接地电阻、避雷针接地、升压站接触电势允许值和跨步电压允许值的计算，并提出了合理的改善措施。

关键词：山地风电场；升压站；接地系统计算

引言

山地风电场升压站接地系统是保证人身安全、电气设备和过电压保护装置正常工作的非常重要的技术措施，它不仅为站内各种电气设备提供一个公共的参考地，而且在系统故障时，可将故障电流迅速泄流，降低升压站的地电位升高，以保证人身和设备的安全。

当电力系统发生接地短路故障时，如果接地电阻值比较大，就会造成地网局部电压异常上升，除给运行人员的安全带来威胁外，还可能因反击使得二次设备的绝缘遭到破坏，甚至发生高压串入控制室，使检测或控制设备发生误动或拒动而扩大事故。随着风力发电渗透率增加，近年来不少山地风电场由于接地电阻未达到要求、因地网腐蚀和断裂引起接地电阻增大而导致的事故，导致系统停运、设备损坏，不仅带来巨大的经济损失，还对人们的生产和生活造成更为严重的社会损失。

因此，山地风电场接地网接地电阻是否符合要求与电力安全生产密切相关，接地电阻值的大小是衡量接地系统的有效性、安全性以及鉴定接地系统是否符合规程要求的重要指标。

1.计算说明

1.1综合说明

1.1.1雷电危害

对山地风电场升压站危害最大的雷电有：直击雷；传导雷；感应雷。

1.1.2接地装置

接地装置的人工接地极包括水平敷设的接地极和垂直敷设的接地极，水平接地极可采用圆钢、扁钢；垂直接地极可采用角钢、圆钢或钢管。其中垂直接地极作用如下：

1）接地系统纵深方向发展是提高高土壤电阻率地区及区域地网安全性的重要措施。

2）增加垂直接地极能有效地降低升压站接地系统的接地电阻。

3）增设垂直接地极对于降低接触电压和跨步电压具有非常显著的作用。

4）垂直接地极能有效减小季节因素对地网安全性的影响。

1.1.3计算要点

因此根据雷电流特点：速度快、冲击强、破坏大等，升压站水平接地网增加垂直接地极主要作用为快速泄流及防止设备受冲击，升压站中垂直接地极的布置对整个升压站的工频接地电阻值的影响较小（基本可以忽略），水平接地网接地电阻主要取决于接地网面积，因此升压站工频接地电阻计算，根据升压站的水平接地网计算得出。独立避雷针的冲击电阻计算，根据其布置的垂直接地极计算得出。

1.2工程概况

某山地风电场拟安装42台单机容量为2000kW风电机组，装机容量为84MW，风电场内拟新建1座220kV升压站，220kV升压站最终规模按1×84MVA+1×50MVA设计，本期安装一台84MVA主变压器。本风电场以1回220kV出线接至某220kV变电站，新建线路长度约13km，导线选用JL/G1A-400/50。

场区地层主要为第四系残坡积土，下伏基岩为粉砂质泥岩、泥岩夹粉砂岩，根据场地各岩（土）层的工程地質条件，第四系残坡积土不宜作为基础持力层，其粉砂质泥岩、泥岩夹粉砂岩、中风化灰岩等可作为基础持力层。

1.3计算目的

根据《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T 50065-2011）规定，所有要求接地或接零部分的电气设备均应可靠地接地或接零。为保证人身和设备的安全，电气设备宜接地，将升压站内不同用途和各种不同电压的电气设备接地，应使用一个总的接地装置，接地装置的接地电阻应满足其中接地电阻最小的电气设备的要求。

根据GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》“4.2.1 保护接地要求的发电厂和变电站接地网的接地电阻，应符合下列要求：1）接地网的接地电阻宜符合下列公式的要求，且保护接地接至变电站接地网的站用变压器的低压侧应采用TN系统，低压电气装置应采用（含建筑物钢筋的）保护总等电位联结系统。”接地网的接地电阻值宜采用R≤2000/Ig[Ig为计算用经接地网入地的最大接地故障不对称电流有效值（A）]，即可满足运行需要。

根据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》“4.1第8条，独立接闪杆、架空接闪线或架空接闪网应设独立的接地装置，每一引下线的冲击接地电阻不宜大于10Ω。”避雷针的冲击电阻要求在10Ω以内，即可满足运行需要。

当电气设备发生碰壳故障，导线断裂落地或线路绝缘击穿而导致单相接地故障时，电流便经接地体或导线落地点呈半球形向大地散流，人触及故障设备外壳或进入散流区域会发生接触电压或跨步电压触电，触电伤害的结果与跨步电压与接触电压的大小有直接关系。

因此根据GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》“4.2.2 确定发电厂和变电站接地网的型式和布置是，应符合下列要求：1、110kV及以上有效接地系统和6kV～35kV低电阻接地系统发生单相接地或同点两相接地时，发电厂和变电站接地网的接触电位和跨步电位差不应超过由下列公式计算所得的数值：”

1.4计算内容

根据升压站所在区域的基础土壤电阻率和回填土土壤电阻率，计算出升压站复合接地网接地网未加措施时的接地电阻，为项目施工单位采取相应降阻措施提供参考。

根据《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T 50065-2011）规定，设计接地网时，应验算接触电位差和跨步电位差的规定，进行升压站接触电位差和跨步电位差的验算。

2. 基本资料

根据场址区基本地质条件，类比相同地质背景和岩性特征的其他工程岩、土物理力学试验成果资料，参照《岩土工程勘察规范》GB50021-2001（2009年版），提出场区各岩、土层物理力学参数及电阻率建议。

本工程升压站所在区域地层岩性以粉砂质泥岩、泥岩夹粉砂岩、中风化灰岩为主，升压站接地网土壤具有两层结构，接地网上层部分以黏土、砂质黏土、粘土岩夹灰岩及硅质岩透镜体为主，厚度H≈1m，ρu1取值为ρu1=800（W.m），下层部分以泥岩夹粉砂岩、中风化灰岩为主ρl1取值为ρl1=3000（W.m）。

根据《电力工程电气设计手册（电气一次部分）》P909表16-4“根据土壤性质决定的季节系数”，本次计算用季节系数j01取1.2，故：

ρu=j0×ρu1=1.2×800=960（W.m）

ρl=j0×ρl1=1.2×3000=3600（W.m）

3. 升压站接地

3.1.计算过程

参照《水电站机电设计手册（电气一次）》P752，土壤具有两层结构时，水平接地网的接地电阻值 计算为：

式中ρa2----具有两层结构的土壤等值电阻率（W.m）

ρu、ρl------分别为上、下层的土壤电阻率（W.m）

SΣ------升压站接地网的总敷设面积（117*78）9126m2（升压站面积120×81）

K为系数，（常用工程取值0.5）.

参照NB/T35050-2015《水力发电厂接地设计技术导则》P70，图A.0.2-2，当ρu<ρl时系数K的曲线。

视电阻率曲线常数b'从1米变化到100米，小值表示电阻率随深度变化很快；大值表示变化缓慢。已知第一层的深度H≈1m。

b'≈3H=3

查询得K=0.62

经过计算得：ρa2=1963.2（W.m）

Rw2=10.28Ω

3.2.结论

升压站接地电阻为10.28Ω，根据GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》“4.2.1 保护接地要求的发电厂和变电站接地 网的接地电阻，应符合下列要求：1）接地网的接地电阻宜符合下列公式的要求，且保护接地接至变电站接地网的站用变压器的低压侧应采用TN系统，低压电气装置应采用（含建筑物钢筋的）保护总等电位联结系统。” 故需采取擴网、使用置换黏土及降阻剂等措施进行降阻接地网的接地电阻值宜采用R≤2000/Ig[Ig为计算用经接地网入地的最大接地故障不对称电流有效值（A）]，即可满足设计要求。

4. 避雷针接地

4.1.计算过程

根据《建筑物防雷设计规范》（GB 50057-2010）P42，5.4.3“人工钢质垂直接地体的长度宜为2.5m。其间距以及人工水平接地体的间距均宜为5m，当受地方限制时可适当减少。”主要是为了减少相邻接地体的屏蔽效应，垂直接地体间的距离及水平接地体间的距离一般为5m，大于5m最好。

人工接地体通常是由垂直埋设的棒形接地体和水平接地体组合而成，棒形接地体可以利用钢管、槽钢、角钢等制成；水平接地体可以利用扁钢、圆钢等制成。

根据《交流电气装置的接地设计规范》P47页，附录A，均匀土壤中垂直接地极的接地电阻值计算公式，可以得出避雷针冲击电阻指为：

式中：RC—使用降阻剂后垂直接地体的接地电阻（Ω），

=ρa2=1963.2（W.m）—土壤复合电阻率（Ω·m）；

—垂直接地体的长度为3×4=12（m）；

d—接地体等效直径为0.03（m）。

等效直径：

1.等边角钢：d=0.84b .不等边角钢：

避雷针环形水平接地极（-60×6），敷设深度>3m：

避雷针水平接地环周长D=2π×4.5=28.26m

水平接地体总长度L=D+20=48.26m

垂直接地极（L50×5），4根

l=4×3=12m

经过计算：

Rv=210.26Ω

4.2.结论

避雷针接地电阻为210.26Ω，根据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》“4.1第8条，独立接闪杆、架空接闪线或架空接闪网应设独立的接地装置，每一引下线的冲击接地电阻不宜大于10Ω。”故需采取扩网、使用置换黏土及降阻剂、增加垂直接地极根数等措施进行降阻，同时还可以将避雷针与主地网相连接使其接地电阻降至10Ω以内，但根据《交流电气装置的接地设计规范》“4.5.1第一条，发电厂和变电站配电装置构架上避雷针（含悬挂避雷线的构架）的接地引下线应与接地网连接，并应在连接处加装集中接地装置。引下线与接地网的连接点至变压器接地导体（线）与接地网连接点之间沿接地极的长度，不应小于15m”。

5. 接触电位差及跨步电位差允许值计算

5.1最大接触电位差允许值Ut计算

根据《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T 50065-2011）P10页，“4.2.2 确定发电厂和变电站接地网的型式和布置时，应符合下列要求：1、110kV及以上有效接地系统和6kV～35kV低电阻接地系统发生单相接地或同点两相接地时，发电厂和变电站接地网的接触电位差和跨步电位差不应超过由下列公式计算所得的数值。”

不等间距接地网最大接触电位差允许值Ut可按下列公式计算：

式中： 为表层电阻率，风电场升压站表层一般为混凝土地面，[根据NB/T35050-2015《水力发电厂接地设计技术导则》P86页，表E.0.1（土壤和水的电阻率W.m）]可查，取 = 100（W.m）；

为表层衰减系数，通过查询可得值为0.98；

b代表人脚的金属圆盘的半径b=0.25m；

k为不同电阻率土壤的反射系数k=0.81；

两个相似、平行、相聚2nhs且置于土壤电阻率ρ的无限大土壤中的两个圆盘之间的互阻（Ω）；

ρ为下层土壤电阻率，混凝土地面下层部分以黏土、砂质黏土、粘土岩夹灰岩及硅质岩透镜体为主，厚度H≈1m，因此ρ=ρu=960（W.m）

（r，z）代表以圆盘1的中心为坐标原点时，圆盘2上某点的极坐标。

ts接地故障电流持续时间，与接地装置热稳定校验的接地故障等效持续时间取相同ts值（s），根据NB/T35050-2015《水力发电厂接地设计技术导则》P105页“7.2.1中1条，发电厂和变电站的继电保护装置配置有2套速动主保护、近接地后备保护、断路器失灵保护和自动重合闸时，te应按te≥tm+tf+t0”。

其中：tm为主保护动作时间（s）；tf为断路器失灵保护动作时间（s）；t0为断路器开断时间（s）

因此根据工程经验te取值为0.5s～0.65s，本次计算ts=te=0.65s。

根据以上公式计算可得接地网最大接触电位差允许值：

≈236.5V

5.2最大跨步电位差允许值US计算

根据《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T 50065-2011）P10页，“4.2.2 确定发电厂和变电站接地网的型式和布置时，应符合下列要求：1、110kV及以上有效接地系统和6kV～35kV低电阻接地系统发生单相接地或同点两相接地时，发电厂和变电站接地网的接触电位差和跨步电位差不应超过由下列公式计算所得的数值。”

不等间距接地网最大跨步电位差允许值US可按下列公式计算：

为表层电阻率，风电场升压站表层一般为混凝土地面，[根据NB/T35050-2015《水力发电厂接地设计技术导则》P86页，表E.0.1（土壤和水的电阻率W.m）]可查，取 = 100（W.m）；

为表层衰减系数，通过查询可得值为0.98；

b代表人脚的金属圆盘的半径b=0.25m；

k为不同电阻率土壤的反射系数k=0.81；

两个相似、平行、相聚2nhs且置于土壤电阻率ρ的无限大土壤中的两个圆盘之间的互阻（Ω）；

ρ为下层土壤电阻率，混凝土地面下层部分以黏土、砂质黏土、粘土岩夹灰岩及硅质岩透镜体为主，厚度H≈1m，因此ρ=ρu=960（W.m）

（r，z）代表以圆盘1的中心为坐标原点时，圆盘2上某点的极坐标。

ts接地故障电流持续时间，与接地装置热稳定校验的接地故障等效持续时间取相同ts值（s），根据NB/T35050-2015《水力发电厂接地设计技术导则》P105页“7.2.1中1条，发电厂和变电站的继电保护装置配置有2套速动主保护、近接地后备保护、断路器失灵保护和自动重合闸时，te应按te≥tm+tf+t0”。

其中：tm为主保护动作时间（s）；tf为断路器失灵保护动作时间（s）；t0为断路器开断时间（s）

因此根据工程经验te取值为0.5s～0.65s，本次计算ts=te=0.65s。

根据以上公式计算可得接地网最大跨步电位差允许值为：

≈300.9V

5.3降低接触电压和跨步电压的方法

（1）在一般情况下，根据GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》

“4.3.2第1条，人工接地网的外缘应闭合，外缘各角应做成圆弧形，圆弧形的半径不宜小于均压带间距的1/2，接地网内应敷设水平均压带，接地网的埋设深度不宜小于0.8m”。均压带的距离一般为4～5m为宜。

（2）为降低接触电压和跨步电势，要求水平接地体局部埋深不应小于1m（环形或成排布设水平接地体埋设于冻土层以下），并应铺设5～8cm厚的沥青混凝土层或不小于30cm厚的砾石层，其宽度超出接地装置2m左右。

（3）采用“帽檐式”均压带，敷设两条与接地网相连的“帽檐式”均压带能显著降低接触电压和跨步电势。

最大接触电位差实际值及最大跨步電位差实际值以现场测量为准，应根据规程规范要求，采取措施降低最大接触电位差及最大跨步电位差，使其在最大接触电位差允许值Ut及最大跨步电位差允许值US以内，满足风电场升压站运行要求。

6. 结束语

因山地风电场所处自然环境恶劣，为避免风电场因雷击、短路等故障造成的损失，应重视山地风电场的接地系统设计，本文通过实际工程详细进行山地风电场工程升压站及风机基础接地系统计算，并提出了积极有效的改善措施，为工程实际提供了借鉴思路及方法。

参考文献

[1]《交流电气装置的接地设计规范》 GB/T 50065-2011

[2]《电气装置安装工程接地施工及验收规范》 GB50169-2016

[3]《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》 GB/T 50064-2014

[4]《岩土工程勘察规范》（2009年版）GB50021-2001

[5]《建筑物防雷设计规范》 GB50057-2010

[6]《水力发电厂接地设计技术导则》 NB/T35050-2015

[7]《电力工程电气设计手册（电气一次部分）》1989.12

[8]《水电站机电设计手册（电气一次）》1982.11

（作者单位：中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司）