华东某电站接地网测试及改造方案

蒋佳杰 夏永强 徐沛柔 郑智勇 马峰

摘  要：以华东某电站接地网为例，对其安全性进行了分析。针对全厂接地电阻，一、二次设备导通性，500 kV开关站、厂房主变室和母线洞的接触电压、跨步电压等进行计算和诊断，依据上述计算结果对此变电站接地网的安全性和可靠性进行分析、评价和改进，以确保工作人员人身安全、电站安全运行，对此类电站的建造、评估与改造具有一定的指导作用。

关键词：接地网;接地电阻;接触电压;跨步电压;导通性;评估;改造方案

0    引言

接地网对于电力系统的安全、可靠运行起着不可忽视的作用。但接地网常年埋在地下，腐蚀不可避免，腐蚀将直接导致接地截面减小、电气性能参数变化，严重时会直接危及电网的安全运行[1]。因此，进行接地网状态检测，及早发现问题并采取相应保护措施，智能化地完成接地网维护工作，显得十分迫切和重要。保证接地网的完整性、安全性、可靠性，对于保障电力系统的可靠运行和站内工作人员的人身安全起着至关重要的作用[2]。

1    电站基本情况

华东某电站距市区约7 km[3]。该电站以500 kV两回7.5 km线路接入500 kV某变，电站装机容量1 000 MW，装设4台单机容量为250 MW的機组。发电机中性点经接地变压器接地，主变压器容量为300 MVA，发电机—变压器（4台300 MVA主变压器）采用单元接线[4-5]。在500 kV侧2台主变采用绝缘封闭组合电器（GIS）管道母线组成联合单元，以2回500 kV交联聚乙稀（XLPE）电缆（单相电缆长度680 m）接至地面500 kV GIS开关站，500 kV电气主接线为2进2出内桥接线[6-7]。

本文主要以华东某电站开关站5220线为例对接触电压[8]、跨步电压[9-10]等进行计算分析，进而保证接地网的安全可靠运行。

2    测量方法

2.1    接地电阻测量方法

本次实验采用变频三角形法进行接地阻抗实验，具体实验接线原理如图1所示[11]。

本次实验采用人工放线，电压线和电流线采用2.5 mm2截面积的多股铜绞线，实验电流频率为45 Hz与55 Hz，标准正弦波波形，电流幅值为5 A，满足实验电源的基本要求。电流线从500 kV开关站右边向一条停运的35 kV线路引出，电压线从500 kV开关站左边向下方大坝方向引出，两条线相隔距离远、无平行段，可以大大减少电流线与电压线之间的互感，提高测量的精准度[12-13]。

2.2    跨步电压测量方法

在测试区域内导通性测试良好的接地点注入电流，测量该区域内距离为1 m的地表电位差，并绘制该区域内跨步电压曲线图[14]。

跨步电压测量所选电流极位置与接地电阻测量电流极相同，测量示意图如图2所示。

2.3    接触电压测量方法

在测试区域内导通性测试良好的接地点注入电流，测量设备架构距地面2.0 m高处与水平距离1 m的地表电位差。

接触电压测量所选电流极位置与接地电阻测量电流极相同，测量示意图如图3所示[15-16]。

2.4    导通性测量方法

首先选定一个很可能与主地网连接良好的设备的接地引下线为参考点，再测试周围电气设备接地部分与参考点之间的直流电阻，如图4所示。如果开始即有很多设备测试结果不良，宜考虑更换参考点[17]。

3    测量过程

3.1    接地电阻

根据《水力发电厂接地设计技术导则》（NB/T 35050—2015）中4.1.1条款，有效接地系统的水力发电厂接地装置接地电阻宜符合下式要求：

R≤

式中：R为考虑到季节变化的最大接地电阻（Ω）;I为计算用流经接地装置的最大入地电流（A，有效值）。

由华东某电站提供的资料，该电站流经接地装置的最大入地电流约为7.9 kA。经计算，该电站接地电阻R的值宜小于等于0.253 2 Ω。

测试结果0.240 6 Ω<0.253 2 Ω，故华东某电站接地电阻符合规程标准及设计要求。

3.2    跨步电压

根据《接地装置特性参数测量导则》（DL/T 475—2017）中的折算公式（3），将测试跨步（接触）电压值Us′折算成最大入地电流下实际值Us，与《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T 50065—2011）中4.2.2规定的安全值进行比较判断。

Us=Us′

式中：Im为注入地网的测试电流;Is为被测接地装置内系统单相接地故障电流（7.9 kA）。

本次测试开关站5220线跨步电压最大值为2 726.4 V;华东某电站设计单位华东勘测设计研究院所提供的资料显示，500 kV开关站跨步电位差Ek允许值为1 954.3 V。最大实际值大于允许值，因此开关站5220线跨步电压不合格。

3.3    接触电压

本次测试开关站5220线接触电压最大值为829.60 V;华东某电站设计单位华东勘测设计研究院所提供的资料显示，500 kV开关站接触电位差Ej允许值为769.2 V，最大实际值大于允许值，因此开关站5220线接触电压不合格。

3.4    导通性测试

根据2.4导通性测试方法，测试了相关区域一、二次盘柜外壳与基准点之间的导通性。经过测试，导通性均为良好。

4    总结

基于以上流程，对该电站的接地参数进行测量，结果如表1所示。

结论如下：

（1）全厂接地电阻测量值为0.240 6 Ω，满足规程要求;

（2）每个测试区域的接触电压、跨步电压都有部分大于上限值，因此不满足规程要求;

（3）导通性测试，所测区域的一、二次盘柜外壳与基准点之间的导通电阻均小于50 mΩ，导通性良好。

5    改进意见

本节依旧以5220线为例进行改进计算，来验证假设的可行性，从而将改进方法推广至全厂使用。此次计算参考规程为《水力发电厂接地设计技术导则》（NB/T 35050—2015），围绕提高接触电压安全限值和降低接触电压两个方面，可以采用布置均压网的方式来达到降低接触电压的目的。均压网采用40 mm×4 mm的紫铜条，长度为40 m，宽度为30 m。沿长、宽方向布置的均压带导体根数均为8根，埋深为0.2 m。

均压网的布置有均压带等间距布置和不等间距布置两种方式，不等间距布置的目的是使各网孔接触电位差相等。根据经验和现场实际情况分析，该电站开关站适合采用不等间距均压网。

根据《水力发电厂接地设计技术导则》（NB/T 35050—2015）表7.3.2，不等间距布置的7网格均压网网孔边长百分数如表2所示。

所以，各网格长、宽所对应的边长如表3所示。

5.1    增设均压网后跨步电位差计算值

在发生接地短路时，接地网外的地表面的最大跨步電位差Ekm可按下式计算：

Ekm=KkEw

式中：Ekm为最大跨步电位差（V）;Kk为跨步系数;Ew为接地装置的电位（V）。

其中，跨步系数Kk（不等间距布置时）可按下式计算：

Kk=KkhKknKkdKksKkmKkl

式中：Kkh为均压带埋深影响系数;Kkn为均压带根数影响系数;Kkd为均压带导体直径影响系数;Kks为均压网面积影响系数;Kkm为接地网网孔数影响系数;Kkl为接地网形状影响系数。

Kkh、Kkn、Kkd、Kks、Kkm、Kkl可按下列方法计算：

Kkh=383.964e

Kkn=0.849-0.234

Kkd=0.574+0.64

Kks=0.07+1.08/

Kkm=0.056+1.072/m

Kkl=0.741-0.011（l2/l1）

根据计算，跨步系数Kk=0.334 3，接地装置的电位Ew=IR（I为计算用入地短路电流，R为地网的接地电阻），根据《华东某电站2019年接地网安全性状态检测报告》提供的数据，I=7 900 A，R=0.240 6 Ω，代入公式可得Ew=7 900×0.240 6=

1 900.74 V，因此增设均压网后最大跨步电位差Ekm=1 900.74×

0.334 3≈635.42 V，小于上限值1 954.3 V，因此设计的均压网满足跨步电压的要求。

5.2    增设均压网后接触电位差计算值

在发生接地短路时，接地网地表面的最大接触电位差即网孔中心对接地网接地体的最大接触电位差Ejm可按下式计算：

Ejm=KjEw

式中：Ejm为最大接触电位差（V）;Kj为接触系数;Ew为接地装置的电位（V）。

其中，接触系数系数Kj（不等间距布置时）可按下式计算：

Kj=KjhKjnKjdKjsKjmKjl

式中：Kjh为均压带埋深影响系数;Kjn为均压带根数影响系数;Kjd为均压带导体直径影响系数;Kjs为均压网面积影响系数;Kjm为接地网网孔数影响系数;Kjl为接地网形状影响系数。

Kjh、Kjn、Kjd、Kjs、Kjm、Kjl可按下列方法计算：

Kjh=0.257-0.095

Kjn=0.021+0.217-0.132n/n

Kjd=0.401+0.658/

Kjs=0.054+0.410

Kjm=2.837+240.021/

Kjl=0.168+0.002/l

根据计算，接触系数Kj=0.127 842，接地装置的电位Ew=IR（I为计算用入地短路电流，R为地网的接地电阻），根据《华东某电站2019年接地网安全性状态检测报告》提供的数据，I=7 900 A，R=0.240 6 Ω，代入公式可得Ew=7 900×0.240 6=

1 900.74 V，因此增设均压网后最大接触电位差Ejm=1 900.74×

0.127 842≈242.99 V，小于上限值769.2 V，因此设计的均压网满足接触电压的要求。

6    结语

依照此计算规则，埋设均压网的改进方案可行，该电站敷设均压网后接触电压值与跨步电压值均能降至限值以下，可推广至全站使用。

[参考文献]

[1] 邵洪平，徐一蓉.变电站接地网工程降阻技术研究[J].电力设备管理，2020（3）：46-47.

[2] 邵洪平.变电站接地网接地电阻计算方法研究[J].电力设备管理，2020（2）：57-59.

[3] 邵洪平.变电站接地网的土壤腐蚀因素研究[J].电力设备管理，2020（1）：113-115.

[4] 程翔.变电站接地网安全评估方法[J].通信电源技术，2019，36（10）：160-161.

[5] 邵洪平，李学腾.变电站接地网腐蚀程度分类研究[J].电力设备管理，2019（10）：54-55.

[6] 杨岳华.110 kV变电站接地网降阻解决方案及应用[J].通讯世界，2019，26（9）：314-315.

[7] 权学政，李朝霞.西藏某220 kV变电站接地网状态评估与改造[J].电工电气，2019（1）：34-36.

[8] 田松.某220 kV变电站接地网安全评估分析[J].电子世界，2018（22）：45-46.

[9] QIN S Q，WANG Y，TAI H M，et al.TEM apparent resisti-

vity imaging for grounding grid detection using artificial neural network[J].Generation，Transmission & Distribution，The Institution of Engineering and Technology，2019，13（17）：3932-3940.

[10] 王欣，郭博闻.变电站接地网腐蚀机理分析及腐蚀诊断技术发展现状[J].吉林电力，2019，47（2）：10-12.

[11] SONG C F，WANG M，QIN X B，et al.The Optimization Algorithm of the Forced Current Cathodic Protection Base on Simulated Annealing[J].Algorithms，2019，12（4）：83.

[12] SU M M，LIN Y H，LI Z Z，et al.Analysis on frequency and impulse characteristics of grounding grid[J]. The Journal of Engineering，2019（16）：2405-2409.

[13] TONG X F，DONG X H，TAN B.High current field test of impulse transient characteristics of substation grounding grid[J].The Journal of Engineering，2019（16）：2018-2021.

[14] LI G X，WANG Y，GUAN Y L，et al.Research on evaluation method of soil corrosive property to grounding grid in transformer substation[J]. IOP Conference Series：Materials Science and Engineering，2019，479（1）：1-7.

[15] RITTONG，SIRISUMRANNUKUL.Safety impacts of electric potential and electromagnetic fields as result of faults in electric distribution system[J].Journal of the Chinese Institute of Engineers，2020，43（3）： 269-278.

[16] LI S F，FU Y H，XIE Y.Study on the Calculation Method of Interference Voltage of Shielded Cable under the Condition of Lightning Strike in Smart Substation Grounding Grid[J].IOP Conference Series：Materials Science and Engineering，2018，439（5）：2042-2047.

[17] 李謙.大型接地网性能评价技术综述[J].广东电力，2018，31（8）：139-146.

收稿日期：2020-06-16

作者简介：蒋佳杰（1988—），男，江苏宜兴人，工程师，研究方向：电气工程及其自动化。