水电站接地系统

孟 然

（中国水利水电第十四工程局有限公司机电安装事业部，云南 昆明 650032）

1 接地的意义

接地的目的是确保系统或者设备在出现故障的时候将地电压迅速降低到人所能承受的安全电压范围内，同时避免高压对电网二次设备的伤害，保障电气系统和电气设备的正常运行及人身安全。因此，电站的安全运行离不开良好的接地设计与运行。

2 接地的基本原理

2.1 接地的概念

在系统、装置或设备的给定点与局部地之间做电连接称为接地。

2.2 接地的作用

2.2.1 保证人身安全

为了保证人体的安全，在正常的情况下电站对不带电的电气设备和装置也需要对其进行接地处理。根据之前我们所学的知识可知电压一定时电流的大小与电阻成反比，因此接地极的电阻越小，流过接地极的电流就越大，由分流原理可知此时流过人体的电流就越小。因此我们可以推理得出当接地电阻很小时，流经人体的电流会减小到接近于零，人即使触碰到也可避免触电。因此，在任何情况下，设计都应确保接地电阻在规定值的范围以内。

2.2.2 保证电力系统的正常运行

在电力系统中通常采用的接地方式都是中性点接地，所以系统中性点与地之间等电位。若系统中性点不进行接地处理，当其中的一相发生短路或者接地时，另外两相的电压将升高至线电压。而对于中性点进行接地处理的系统，其工作电压不变。把系统的中性点进行接地处理可以使继电保护的可靠性得到保证。在通信系统中，为防止噪声干扰，保证通信设备的工作正常，直流电源基本都是采用正接地的接地方式。

2.3 电气接地的种类

按照工作目的不同，电气接地一般可以分为保护接地、工作接地和防雷接地。

2.3.1 保护接地

为电气安全，将系统、装置或设备的一点或多点接地称为保护接地。正常工作情况下，设备的外壳是没有电的，但当线路发生故障或非绝缘体（如金属外壳）短路时，这些原本不导电的地方就会变成带电体，若这些部分没有进行接地处理，就会在大地和这些部分之间形成一个较高的电位差，此时如果人接触到这些带电部分就会在人体内形成一个电流通道，严重威胁人的安全。因此，必须对带金属外壳的设备和大地之间做良好的金属连接，使外壳与地面为等电位。

(1)屏蔽接地

屏蔽接地是为了防止电磁造成干扰，在屏蔽体与干扰源或地的金属外壳之间所做的可靠的电气连接。将会产生磁场的设备外壳进行屏蔽并做接地处理，可以消除电磁场带来的的危害，其属于保护接地。

(2)防静电接地

防静电接地是指为防止对易燃油、天燃气贮罐和管道等的危险作用而设的接地。规程中要求其接地电阻一般在10 Ω以内；防静电接地也属于保护接地。

2.3.2 工作接地

工作接地是在电力系统电气装置中，为了系统运行的需要而设置的接地，如中性点接地。其主要作用是保证低压系统电位的稳定性，降低由于单相接地，高低压短接等原因产生过电压的危险性。

2.3.3 防雷接地

防雷接地是指雷电保护装置（如避雷针、避雷线等）向大地泄放雷电而设的接地。当电力系统遭受到雷电的袭击时，防雷装置能把侵入系统的雷电流引入大地进行释放，使设备得到保护。一般将其分成信号防雷地和电源防雷地，两个之间的区别主要是对接地电阻的要求不一样，而且信号防雷地在现实工程中基本都是单独进行连接的。

2.4 接地网关键指标介绍及要求

2.4.1 接地电阻

接地电阻是指在给定频率下，系统、装置或设备的给定点与参考地之间的阻抗的实部。接地电阻值的大小受接地体形状、尺寸和布置方式以及土壤电阻率等因素的影响，因此在设计过程中我们根据对接地电阻值的要求来反推得出各个参数的值。当接地短路故障在电网中出现时，短路电流将通过接地体在大地中作半球形的扩散，以接地体为基础，随着距离的增加电位逐渐降低，一般情况下离接地体20 m以外的电位可以近似看作为零电位。

2.4.2 接地网入地短路电流

入地短路电流是指电厂内或电厂外发生接地短路时流经接地装置的电流。一般情况下中性点的运行方式以及发生接地故障时的位置等都会使入地短路电流的大小受到一定的影响。为了在故障情况下能使接地网对故障电流的散泄作用得到充分利用，并且能选择出比较后更合理的设计方案，在设计接地网之前精确地计算出入地短路电流是很有必要的。

2.4.3 接地网材料选择

铜的导电性、高耐腐蚀性以及热稳定性性能优越在接地网中被广泛的应用。本次主要对铜与钢接地导体之间的导电性能、耐腐蚀能力以及在施工方面的可操作程度进行比较分析。常温下，铜的电阻率比镀锌钢的电阻率低很多，因此铜的导电性能比镀锌钢的好，同时，铜还具有良好的热稳定性。

铜在被腐蚀的过程中表面会产生铜绿，铜绿对其内部的铜起到保护作用，防止了铜的进一步腐蚀。采用镀锌钢就是用锌来对钢起到防止腐蚀的作用，但是锌本身不是良导体，降低了镀锌钢的整体导电能力。在实际施工的过程中发现，铜具有良好的延展性，因此可在一定的范围之内对其进行弯折，使得铺设的过程比较方便。对于铜导体之间的连接可以采用火泥熔接，进一步降低了施工的难度。我国由于铜资源比较缺乏，价格较高昂，因此对于一般重要程度的变电站的接地网采用的是镀锌扁钢，虽然性能不如铜，但节约了成本并对铜资源起到了保护的作用。

（1）接地导体性能分析

铜和钢是目前国内使用最多的两种接地网材料，而国外基本上都是采用铜及电镀铜的钢导体，尤其是镀铜钢棒因其综合性能好而被广泛用于接地材料。用铜或钢做的接地网都有各自的优缺点，钢的热稳定性要比铜好，且价格更加便宜，使用寿命较长，但需要考虑到后期的维护和地网的安全运行问题。而铜比钢的导电性和抗腐蚀性都强，另外采用铜做接地网可以免去后期维护费用。

（2）接地导体的连接方式

在采用镀锌钢作为接地网时一般采用双引下线的方式，这是为了防止钢腐蚀而断裂，保证可靠接地，双引下线要分别通入到不同的网格中。而铜由于具有了良好的耐腐蚀性能，一般采用单引下线就可满足要求。

在电站的接地网中存在着大量的金属导体，这些导体之间的连接方式会影响接地网的性能,尤其是对于铜体与铜体之间的连接以及铜与钢之间的连接，对于铜材是否能够发挥好其优良的性能有着重要影响，目前在接地系统中常见的连接方式有4种:

第1种是采用铜银焊的方法，该种方法适用于铜条之间、铜条和铜线之间以及铜绞线和铜绞线之间的连接，该种焊接方法只是对各个模块之间进行了表面上的连接，在其内部并没有熔合，因此其性能不理想。第2种是采用压接线夹的方法，这种方法多在两根铜绞线之间采用，比较适合单线对单线之间的连接，要想完成十字或其他形式的连接则需要采用定做的接线线夹，且连接后需再用螺栓进行固定。第3种就是采用螺栓连接，它一般是对压接线夹方法的补充，对于螺栓的连接需要参照相关的规定进行，这是目前在我国使用范围最广的方法，但由于螺栓与被连接体材料工艺的差异往往对接地网的耐腐蚀性不利。第4种是火泥熔接(又称为火泥熔焊或放热熔焊)，是一种目前比较先进的导体连接方法。该方法是将火药燃烧，使用其产生的热量，将导体需要连接的部分熔化使其连接为一体。该方法相对于传统焊接工艺连接点导电性能及机械性能同样较好。考虑其优良性能，目前火泥熔接的方式已经在我国逐步得到推广。

（3）接地导体截面选择

采用镀锌扁钢时，220 kV、110 kV的主接地网与引下线的面积一般选择为480 mm2；采用铜时，220 kV、110 kV的主接地网与引下线的面积一般选择为150 mm2。对接地体进行校核时，其最小截面积S需要满足:Sg≥IgteC其中，Ig是流经引下线的短路电流值，te是短路电流的动作时间，C是引下线材料的热稳定系数，其值的大小与材料以及允许的最高温度和初始温度有关。根据相关规定可知，对于220 kV的单相短路电流，流经引下线的稳定短路电流值Ig其值为50 kA，当考虑到避雷线的工频分流系数时，其值为25 kA；对于110 kV和220 kV的系统其短路电流的作用时间均为0.7 s。根据GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》可以知道，铜的热稳定系数C=210,对于采用铜材作为接地材料时，铜引下线的截面积Sg:Sg≥250 000.721 0=99.60在采用镀锌钢时，由于锌的耐腐蚀性高可以对钢起到保护作用，但是在接地网的接触部分由于采用了电焊加工，其存在点腐蚀的情况，因此一般镀锌钢能够在10年以内保证其性能。对于铜材而言，其发生腐蚀时是在其整个表面上进行的，其腐蚀速度只有钢的1/5左右，在铜腐蚀的同时其表面会产生铜绿(碱式碳酸铜)，该物质的产生能够有效的阻断了铜腐蚀的进一步进行，铜的年腐蚀率大约在0.02 mm。对于水平接地网的截面积则根据相关规定取引下线的75%。根据铜材与钢材之间的差异，在用钢作为引下线时，其截面积比采用铜作为引下线时大很多。

2.4.4 接触电压和跨步电压

（1）接触电压

当人接触到发生故障的电气设备外壳时，人的手与两脚之间便形成一个电位差，这个电位差称为接触电压。在中性点不进行接地处理的系统中，当发生单相接地的故障时，故障电流是以接地点为中心向四周进行扩散的方式通过接地装置和大地的，正因为这样大地表面才形成了一个电位分布区，并且分布区内不同点的电位也不同。

（2）跨步电压

跨步电压是指电气设备发生接地故障时，在入地接地电流故障点附近电位分布区行走的人，其两脚之间的电压。当跨步电压达到40～50 V，则在这个电压所涉及的范围内的人将会遭受触电的危险，而且较大的跨步电压会导致人摔倒，这样人体所承受的电压会进一步加大，甚至会触电死亡。跨步电压的大小取决于人体离接地点的距离，距离越远跨步电压越小，在离接地点20 m以外的电位近似为零。

3 降低接地电阻的方法

3.1 水下接地

对于水力发电厂，若需要进行降低接地电阻，应尽量选择水下接地的方法。水下接地网应注意布置的位置，一般要在水库蓄水的最低水位以下，且不要设置在水流湍急的地方以及有腐蚀性物质的水域。水下接地网应该与其他接地网之间存在一段距离，这样能减少相互之间的屏蔽影响，充分利用各自的散流作用。为了长远考虑连接时水下接地网与其他接地网之间应采用多根接地线。

3.2 引外接地

根据实测考察如果发现电厂附近的地区土壤电阻率比本区域的低且可以利用时，可以采用引外接地的方法来降低接地电阻。为了减小接地引线的阻抗压降，提高引外接地体的利用效果，可以采用增大引外导体截面的措施。

3.3 深井接地

当水力发电厂或附近地区有地下水而地表层土壤电阻率很高时，采用深井接地的方法能很有效地减小接地电阻。采用深井接地时接地体应设置在水位以下或地层中电阻率较低处，同时其水平间距要大于埋设深度，以减小相互间的屏蔽影响，提高利用率。

3.4 人工降阻

如果不能采用深井接地和引外接地，当接地网面积不大时可以采用人工降阻的措施来降低接地电阻。人工降阻措施包括使用降阻剂、电解极和低电阻率材料置换。对于集中接地体宜采用置换材料的方法来降低接地电阻，要因地制宜，就地取材。所用置换材料应是电阻率低、无明显腐蚀作用的，且应施工简单，经济合理，但应注意的是人工降阻材料和降阻剂不宜大面积使用。

根据以上四种降低接地电阻的措施，优先选择的是水下接地的方法，通过在水下合理布置接地网，成功将站区接地电阻降至0.48Ω，符合标准的要求。

4 总结与展望

伴随着社会的不断进步和发展，用电需求不断增加，因此对电站建设的要求也不断提高。此外，水电站基本都是建在山区,土壤电阻率较高，安全性的要求使得水电站接地网设计显得极其重要。伴随特高压、大电网技术的不断成熟应用，电力系统时刻发生着巨大的变化，接地系统设计、施工、运行也日益复杂，接地技术还有很大的提升余地，对于接地网模型的建立还需要进一步提高。而且，伴随着计算机技术的不断提升，合理应用计算机智能来进行庞大的接地网理论计算分析是一个很好的发展方向。