越南VAN CHAN电站接地系统采用IEEE指南的设计分析

陈志仙

（福建安澜水电勘察设计院有限公司，福建 龙岩 364000）

0 引言

越南VAN CHAN（文振）电站位于越南西北部的安沛省，是一座装机3×19 000 kW引水式电站，电气主接线为三组一机一变的单元接线，110 kV出线两回，我院承接了该电站施工阶段的水机、电气专业设计。

电站的水工建筑物设计方为越南国家第一电力咨询有限公司，该电站的水工建筑物设计方案较为复杂，主副厂房分为6层，分别从106.90 m高程的蜗壳层至140.00 m高程的办公室，升压站位于发电厂房上游侧约105 m处，在狭窄的河谷里，厂房尾水渠连接下游河道，河岸两侧为小山头。

接地的目的是为保证电气设备运行和人身的安全，发生接地故障时，故障电流能释放到大地而不使设备的绝缘和电流电压承受能力超过额定值，保证设备的可靠运行；接地故障时工作人员在故障点附近免受故障电流引起的跨步电压以及接触电压对人身的伤害。具体到VAN CHAN水电站的接地系统满足以下两方面的技术要求：

（1）合理敷设水电站整体接地网，满足招标书的接地电阻R＜0.5 Ω要求。

（2）电站的接地网满足跨步电压和接触电压的要求，接地做法和计算方法采用国际接地标准。

1 接地系统初步设计方案

VAN CHAN电站的枢纽布置，总体分为110 kV升压站和厂房上游交通道、电站厂房以及尾水建筑3部分。水电站的接地网分自然接地体和人工接地体两部分，为满足电站接地电阻的要求，设计首先考虑充分利用自然接地体，电站厂房的土建结构中有大面积的钢筋混凝土和金属机构，包括主副厂房各层和厂房水下的钢筋网格和结构柱体内的垂直主筋、引水系统的压力钢管、尾水金属闸槽，尾水渠底的钢筋网等，这些紧密连接的钢筋网格对降低接地电阻、满足接触电压和跨步电压起着很重要的作用。将这些有效的自然接地体可靠焊接，利用排架柱内垂直主筋把厂房屋面板及各层楼板以及水下基础钢筋网格连接起来，整个接地系统形成一个笼型箱体，构成良好的电气通路，可以有效降低接地电阻，同时起到散流和均衡接地体电位的作用。本电站的接地网有水下接地网钢筋面积S1=41.85 m×58 m=2 427 m2，尾水渠钢筋网面积S2=25 m×60 m=1 500 m2，升压站人工均压带面积S3=52 m×73 m=3 796 m2，如图1所示。

图1 电站接地系统图

2 接地电阻的初步计算

根据现场地质勘探资料显示，升压站的表层土壤为土夹砾石，多次实测的升压站表层土壤电阻率约1 050 Ω·m，厂房水下钢筋混凝土的电阻率约58.5 Ω·m。

涉外工程的设计惯例按照国际标准来执行，本电站接地系统主要遵守国际电子电工协会标准（IEEE），主要参考IEEE Std 80-2000《交流变电站接地安全指南》(以下简称IEEE Std 80)标准和IEEE Std 665-1995（R2001）《IEEE发电站接地指南》(以下简称IEEE Std 665)，IEEE Std 665电站接地指南与IEEE Std 80的标准基本相通，增加了电站厂房建筑物本体的接地说明，但在验证接地安全上还是采用电站厂房外的变电站的部分来验证，（IEEE Std 665标准已于2011年已经撤销，但在电站建设期还在采用，IEEE Std 80现已使用2013版）。

根据电站初步设计的接地系统（图1），由IEEE Std 80式（50）和IEEE Std 665式（1）的复合地网简易公式初步计算有：

（1）厂房水下混凝土内敷设的接地网S1尺寸为2 427 m2，电 阻 率ρ=58.5 Ω·m，则 有：

（2）厂房尾水底板下敷设的人工接地网S2尺寸为1 500 m2，ρ=58.5 Ω·m，则有：

（3）升压站的人工接地网S3面积3 796 m2，升 压 站 按 单 一 土 壤 模 型，ρ=1 050 Ω·m，

3个部分的互联接地网为并联结构，由于各接地极间的距离相对较近，考虑各接地网间的相互屏蔽效应，计算总的电站的接地电阻有：R∑=R1∥R2∥R3=0.287 Ω＜0.5 Ω，初步计算3部分组成的接地网能满足接地电阻的要求。

3 建设方对接地系统的审查意见

在接地系统设计方案提交审查的过程中，越南国家第一电力咨询公司不同意厂房部分的接地设计方案，他们认为直接利用厂房内土建结构内的钢筋网格作为接地网，当发生雷电冲击或者电站内设备发生接地故障时，接地干线将雷电流或者入地故障电流分流至钢筋网格时，入地电流峰值流经土建结构内的钢筋网格，可能引起钢筋过热形变，影响钢筋的受力强度，使厂房结构的安全受到威胁，必须敷设独立的接地网格，与厂房楼板的钢筋网格分开。这与国内大部分包括大型水电站的接地系统利用厂房结构钢筋网做均压带的常规做法不同。

查阅IEEE Std 80《交流变电站接地安全指南》9.4条款中说明：“频繁的交叉连接的地网，他们的主要作用是保证地面电位的适当控制。交叉连接使故障电流有多条稳定可靠的入地路径、减小地网本身电位降和当某一导体失效的情况下提供一种冗余措施也是有用的”。而IEEE Std 665《IEEE发电站接地指南》的5.2.2条说明如下： “对待建筑内部混凝土地板表面的处理存在着不同的设计理念，一种观点认为有必要在混凝土内提供一个独立的接地网格，而另一种观点认为：鉴于建筑内紧密的钢筋网格和众多连接到钢筋网格的钢结构的实际情况，这些混凝土板内的钢筋网格可以作为那些需要接地设备的唯一接地导体，指南认为根据跨步电压和接触电压设计的布置于混凝土板内的独立接地网格是不需要的”。在本接地指南中的5.6.7.3条款中也明确说明“带有金属结构框架的建筑物通过高处安装空气接闪端子和底部与接地系统连接而被保护，不管怎样，应该考虑有多个屋外的向下引接导体，为建筑物外部的闪电提供路径。在金属结构作为防雷系统主要导体的情况下，钢部件连接必须形成电通路”。以上条款都说明了利用紧密连接的钢筋网格对电站的接触电压和跨步电压的安全是最有利的措施，可以利用混凝土钢筋网和金属结构等自然接地体形成接地网。

但在该接地指南的5.7.4条款有一条附加说明：“广泛利用混凝土基础和底座中的钢筋，这类建筑的结构提供了现成的接地电极供应……为了使用钢筋作为地网的一部分，应在钢筋与钢结构之间建立有效的金属连接，当钢筋作为接地网的一部分连接时，应认识到高接地电流可能会对结构混凝土造成损坏的风险。”显然专家们根据此条款不同意利用厂房混凝土钢筋网作为接地网，提出了如果要利用钢筋混凝土构件的钢筋作接地体时，应根据实际上的雷电流和短路故障入地电流对所利用的钢筋热稳定、强度和形变进行校验，校验后的数据如果满足受力要求方能采用，否则接地干线宜专门敷设，并同意敷设的厂房人工接地网与尾水渠钢筋网格和压力钢管连接。

由于施工现场模拟短路电流对钢筋强度等因素的影响有难度，最终按照建设方和审查机构的要求，重新设置厂房人工接地网。

4 接地系统的修正设计

IEEE Std 665《IEEE发电站接地指南》5.2.11条文中说明：“由于利用厂房内的钢筋网，作为接地网设计准则的跨步电压和接触电压，在建筑物内部，不是人员安全须考虑的因素。主站建筑物下面的接地网通常设计有一定的间距，为接地网引上提供了足够数量的连接点，这些间距不是由跨步电压和接触电压来决定的。”也就是说本来厂房地面有足够的根据楼板各种荷载和自重情况敷设的紧密连接的钢筋网格，跨步电压和接触电压都不是厂房内需要考虑的因素。VAN CHAN电站不能利用厂房内的钢筋网格，因此厂房部分接地网需要设计同时满足接地电阻和均衡电压的钢筋网格。

我们知道，接地电阻主要受土壤电阻率和接地网面积两个因素决定大小，其中接地网面积是对降低电网总电阻影响最大的变量，由于厂房基础的水下接地网不能利用，在整个电站的土壤电阻率暂时不改变的情况下，增加其他接地网的面积是比较有效的降低整体接地电阻的措施。

修正接地设计方案的主要内容是敷设厂房的人工均压带和增加外延的水下接地网，考虑铜导体具有电阻小、导电性能好，热稳定性能好，同时耐腐蚀能力也强的特性，可以确保接地网多年使用的完整性，因此整个电站的接地系统采用扁铜作为各接地网的连接干线。

4.1 厂房内接地网布置

厂房各层楼板敷设人工水平均压网，厂房土建设计楼板有700 mm厚度，在主机房各层和副厂房内的高压开关室、低压配电室、厂变、励磁变室、中控室等各层楼板的混凝土内设均压接地网，采用60 mm×8 mm的扁铜沿每层楼板敷设均压网孔，网孔尺寸约5.5 m×5.5 m，这对满足跨步电压和接触电压起到积极的作用，厂房四周梁柱内敷设垂直的扁铜接地干线，把屋面板防雷带和各层均压网连接到尾水渠底板的钢筋网格接地网，形成良好的电气通路。一次设备的接地线采用铜绞线与均压网连接，搭接处采用放热焊接，保证了铜接地网的连接质量。

同时在中控室和继电保护机房内，通过屏柜底部采用30 mm×4 mm铜排首尾连接形成等电位接地排。

4.2 外延水下接地网的布置

设计重新考虑在尾水渠外部与河床连接的水域做外延接地网，外延接地网沿着河床的宽度38 m往下游敷设160 m长度，用60 mm×6 mm镀锌扁钢形成不等距接地网38 m×160 m的网格，网格尺寸约为19 m×20 m。在动水下的钢筋网设计固定桩与河床锚固，在每个节点处用Φ22螺纹钢筋与接地网焊接长度150 mm后沿水流方向倾斜向河床深处钻孔深1.3 m并用快凝水泥沙浆充填钻孔固定。外延的水下接地网与尾水渠钢筋网可靠连接两处以上。

5 接地系统的修正验算

经过以上措施后，对接地网进行修正后的计算和检验。按照敷设的外延水下接地网的面积为S4=38 m×160 m，后期补充测得电站河水的ρ=168.3 Ω·m，计算R4=0.950 Ω，查外延水下接地网的有效利用系数曲线得K4=1.008，则电站的总的接地电阻有：R∑=R1∥R2∥R4=0.327 Ω＜0.5 Ω。

按 照IEEE Std 80式（29.32）或 者IEEE Sd 665式（7.8），厂房内的人体可承受的跨步电位差和接触电位差（按照50 kg人体）

式中：ρs在厂房混凝土电阻率取ρs=12 000 Ω·m（在干燥的空气中），在升压站ρs=1 050 Ω·m，按单一的土壤电阻率考虑取Cs=1，故障持续时间ts=0.4 s得：

Etouch=3 484.83 V（厂房），Estep=13 389.08 V（厂房）

Etouch=472.29 V（升压站），Estep=1338.91V（升压站）

可见在厂房内允许的接触电压和跨步电压比在升压站中高得多，厂房的楼板为混凝土地面，在干燥的空气中相当于铺了高电阻率材料的地面，通常在厂房设备操作通道建成后操作地面都铺有绝缘地垫，也是这个道理。

6 校验复合接地网的地电位升GPR

按照IEEE Std 665标准5.2.11条文的思路结合IEEE Std 80规程中16.4条文中步骤7的要求：必须验证接地电阻引起的地电位升GPR低于容许的接触电压，否则需要验算网孔电压和跨步电压，这也说明接触电压是接地设计的控制条件。针对厂房和升压站做地电位升的验算。

根据越南第一电力咨询公司提供的电网资料，升压站的110 kV线路发生两相短路接地时短路分流入地电流IG=2.250 kA最大,则按照简易计算的接地电阻得出的地电位升：GPR=IG·Rg=2.250 0.332 Ω=747 V，小于厂房内允许接触电压3 484.83 V，大于升压站的允许接触电压472.29 V，因此升压站需要验算修正后的接地网网孔电压和跨步电压，这也验证了IEEE Std 665标准5.2.11条文中说明厂房内部接地网不是跨步电压和接触电压的控制因素。

7 验算升压站的跨步电压和接触电压

IEEE Std 80标准和IEEE Std 665标准中都提出了网孔电压这个概念，网孔电压实际上表示接地网格内可能存在的最大接触电压，设计需要根据升压站的网孔电压和跨步电压对应与允许接触电压和跨步电压进行比较。

根据IEEE Std 80式（80-93）有：

式中：D为平行导体之间的最大间距，取升压站接地网的间隔5.6 m；

d为均压带等效直径，为0.025 m；

h为网格深度，0.8 m。

为简化计算，把修正后的升压站接地网、尾水渠接地网以及河床3个子接地网等效为矩形网孔，其中nc、nd为1，总的接地网面积A为11 376 m2，接地网沿x方向的长度Lx=1 505 m，y方向的长度Ly=1 356 m，水平方向总的接地带的长度Lc为2 861 m，接地网外围长度Lp为816 m，升压站的垂直接地棒每个长度Lr为2.5 m，总长度LR为385 m，接地网有垂直接地极Kii取1，将以上各参数带入计算得各系 数na=7.01，nb=1.91，n=13.39，Kh=1.34，Ki=2.63，Km=0.508，Ks=0.306；LM=3 458.3，Ls=2 473最终计算出Em=912.70 V，Es=768.82 V,由计算结果看网孔电压Em＞Etouch，跨步电压Es＜Estep，验证了IEEE Std 80指南16.1条文中说的跨步电压基本比网孔电压危险性小。

8 调整升压站的接地系统设计

接地系统在升压站区域的接触电势不能满足要求，在IEEE Std 80指南16.6中的补救措施包括降低接地电阻、加密接地网间距、减少故障电流及入地分流和净值进入受限制区。

由于整个电站的接地电阻和跨步电压都满足要求，只有升压站的网孔电压不能满足允许的要求，因此用改变土壤电阻率来满足要求在经济上不合适；同样采用增加均压带的根数，加密均压带的间距对接触电势结构系数Km的下降的作用也很小。我们知道网孔的最大接触电势发生在边角网孔上，接地网边角网孔布置到了升压站四周的交通道路并延伸至升压站的围墙角外沿，参考我们国内的常见的地面采用高电阻率的材料覆盖的做法来减少均压网边孔接触电势（这个措施在新版的IEEE Std 80-2013的16.6-f）条款中也提到了）。

设计采用现场开挖厂房基础留下的大量砾石，在升压站的操作通道和交通道路上及围墙外2 m宽处铺设150 mm厚的碎石路面，升压站围墙内在碎石地面上再浇筑40 mm厚的沥青路面，利用高电阻率材料减少故障电流引起的对人身安全的威胁，同时沥青路面对整个升压站巡视通道的指示和运维有利。

采用调整后的升压站接地系统，相当于双层土壤模型，根据IEEE Std 80式27以及图11得到Cs为0.82，铺设了砂砾石和沥青的表层电阻率ρs取5 000 Ω·m，则允许的接触电压大于Es网孔电势912.70 V,至此，接地电阻、接触电压、跨步电压均满足了国际标准要求以及建设方的技术要求，经过调整后的接地网系统图纸和计算成果一同交付越南第一电力咨询公司的专家再审查，顺利通过了整体的设计方案。

9 结语

在涉外工程中，不但需要参照我们国内的标准和规范，更要注意涉外工程在国际上需要采纳的标准和建设方的特殊的技术要求，本次对越南VAN CHAN电站的设计中使用IEEE Std 80和IEEE Std 665接地标准的条款和计算方法，独立敷设厂房的人工均压带，在接地电阻满足要求而网孔电势不能符合要求的情况下，采用升压站表层铺设高电阻率的砾石，满足了IEEE接地标准要求的网孔电压和跨步电压的安全要求，完成接地系统的设计任务。