淺論抽蓄電站接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王雄飛 李赟俐 馬鋒 高海歐

（1.安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽六安 237300；2.華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇無錫 214200；3.長(zhǎng)沙科智防雷工程有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410001）

0 引言

電站內(nèi)接地系統(tǒng)各種不同的功能性接地（系統(tǒng)接地、保護(hù)接地、防靜電接地）可以共用同一接地裝置，但評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同。對(duì)接地網(wǎng)安全性的評(píng)價(jià)，主要是圍繞故障狀態(tài)下接地網(wǎng)中有最大入地電流時(shí)設(shè)備和人員的安全性來展開的。因此，除接地電阻外，接地網(wǎng)性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)還包含了設(shè)備導(dǎo)通性、場(chǎng)區(qū)地表電位梯度分布、接觸電壓、跨步電壓等接地裝置特性參數(shù)。

本文以安徽某電站為例，簡(jiǎn)單闡述了電網(wǎng)接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要素，并以規(guī)范的要求對(duì)電站的接地電阻、接觸電壓及跨步電壓進(jìn)行了復(fù)核。

1 電站接地設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

合格的接地網(wǎng)應(yīng)能在故障狀態(tài)下地電位升高到最大時(shí)，保障人身和設(shè)備的安全。

1.2 設(shè)計(jì)要求

（1）掌握接地網(wǎng)施工區(qū)域的地形地貌，測(cè)量土壤及水體的電阻率，了解土壤垂直、水平的分層情況及腐蝕性。（2）了解電站區(qū)域內(nèi)構(gòu)建筑物的布置結(jié)構(gòu)，確定可利用的自然接地體情況。（3）確定設(shè)計(jì)水平年內(nèi)的最大接地故障不對(duì)稱電流有效值。（4）確定分流系數(shù)并根據(jù)分流系數(shù)計(jì)算經(jīng)過接地網(wǎng)的最大入地故障電流。（5）計(jì)算初設(shè)接地網(wǎng)的接地電阻，將其與限值作比較，通過不斷優(yōu)化使其達(dá)到要求。（6）在設(shè)計(jì)接地網(wǎng)的接地電阻達(dá)標(biāo)后，計(jì)算地表的接觸電位差和跨步電位差，并將其與允許上限值進(jìn)行比較。若不合格，則采取措施降低電位差或提高允許上限值。（7）確定接地裝置使用的材質(zhì)，應(yīng)能滿足設(shè)計(jì)年限內(nèi)腐蝕性的要求。（8）確定接地裝置的規(guī)格，其截面積應(yīng)能滿足機(jī)械應(yīng)力及熱穩(wěn)定性的要求。

1.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

接地網(wǎng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)的說明如表1所示。

表1 接地系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)說明

1.4 設(shè)計(jì)步驟

1.4.1 調(diào)研土壤地質(zhì)特性

土壤電阻率是接地系統(tǒng)重要設(shè)計(jì)參數(shù)，其測(cè)量方法主要有四極等距法（Wenner四極法）、四極不等距法（Schlumberger-palmer）和三極法。其計(jì)算值應(yīng)由測(cè)量值乘以環(huán)境系數(shù)（濕度、溫度、含鹽量及季節(jié)影響）獲得。

水體電阻率的測(cè)量宜采用電導(dǎo)儀，采樣水體分3瓶盛裝，每瓶1 000 mL。計(jì)算值取3瓶采樣水體的平均值。

1.4.2 確定接地裝置的面積

根據(jù)電站區(qū)域的地理?xiàng)l件來確定接地網(wǎng)的面積，一般來說，在一定范圍內(nèi)增加接地網(wǎng)面積是降低接地電阻的最好措施。

1.4.3 最大入地故障電流的計(jì)算

接地網(wǎng)最大入地故障電流IG為故障時(shí)延tf對(duì)應(yīng)的衰減系數(shù)Df與額定對(duì)稱接地網(wǎng)入地電流Ig的乘積，其中衰減系數(shù)的精確求解非常復(fù)雜，一般可根據(jù)系統(tǒng)的電抗與電阻比值（X/R）進(jìn)行求解（表2）。如果持續(xù)時(shí)間為表中所列數(shù)值的中間值，可采用線性插值進(jìn)行求解。

表2 典型的衰減系數(shù)Df值

1.4.4 確定短路電流持續(xù)時(shí)間

故障電流持續(xù)時(shí)間與其對(duì)人體的傷害程度成正比，時(shí)間越長(zhǎng)傷害越大。500 kV電站其短路電流持續(xù)時(shí)間為斷路器失靈保護(hù)持續(xù)時(shí)間0.4 s。

1.4.5 確定接地導(dǎo)體尺寸

接地導(dǎo)體埋在土壤中，由于電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)體直徑將會(huì)隨著使用年限的增加而減小，因此接地導(dǎo)體的導(dǎo)電性及穩(wěn)定性也會(huì)下降。所以，接地導(dǎo)體尺寸應(yīng)滿足設(shè)計(jì)年限內(nèi)土壤腐蝕的要求，防腐設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)土壤的腐蝕數(shù)據(jù)確定。若無當(dāng)?shù)氐耐寥栏g數(shù)據(jù)，也可根據(jù)同類型土壤腐蝕性地區(qū)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定。

滿足機(jī)械應(yīng)力要求的鋼制接地體最小規(guī)格尺寸如表3所示，銅制接地材料最小規(guī)格尺寸如表4所示。

表3 鋼制接地體的最小規(guī)格

表4 銅制接地材料的最小規(guī)格

根據(jù)熱穩(wěn)定條件，接地線材料為鋼、銅或鋁材的最小截面積Sjd應(yīng)滿足式（1）的要求。

式中：I為故障電流最大值；C為接地導(dǎo)體的熱穩(wěn)定系數(shù)；t為故障電流持續(xù)時(shí)間。

常用接地導(dǎo)體的熱穩(wěn)定系數(shù)如表5所示。

表5 常用接地導(dǎo)體熱穩(wěn)定系數(shù)

1.4.6 接觸電壓和跨步電壓允許上限值

如圖1所示，電擊的類型主要有接觸電擊和跨步電擊。造成接觸電擊的原因是接觸電位差，其是指在最大地電位升高的情況下，距離設(shè)備構(gòu)架底部垂直距離2.0 m處與水平地面1.0 m處兩點(diǎn)間的電位差。造成跨步電擊的原因是跨步電位差，其是指在最大地電位升高的情況下，地面上水平距離為1.0 m處兩點(diǎn)間的電位差。

圖1 電擊分類示意圖

根據(jù)國(guó)外學(xué)者的研究，人體可承受的最大交流電流有效值Ib（單位：mA）由式（2）（3）決定：

對(duì)于體重50 kg的人：

對(duì)于體重70 kg的人：

式中：tS為通過人體電流的時(shí)間，等于接地故障的等效持續(xù)時(shí)間。

人體的電阻變動(dòng)范圍很大，《交流變電站接地安全指南》（IEEE Std 80—2000）選用1 000 Ω，而我國(guó)自1979年發(fā)布《電力設(shè)備接地設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（SDJ 8—1979）以來，一直采用1 500 Ω。人腳站在地面上時(shí)的電阻Rg可視為一個(gè)直徑16 cm金屬板置于地面上的電阻，該電阻經(jīng)計(jì)算為所站區(qū)域土壤電阻率的3倍。于是，人體可承受接觸電位差和跨步電位差的限值（體重50 kg）分別可由式（4）（5）計(jì)算：

當(dāng)接地裝置的表層土壤敷設(shè)了高電阻率材料時(shí)（防靜電涂層、瀝青混凝土等），根據(jù)《交流變電站接地安全指南》（IEEE Std 80—2000）的要求，接觸電位差和跨步電位差的允許上限值的計(jì)算需引入校正系數(shù)即表層衰減系數(shù)CS，計(jì)算公式如式（6）所示：

式中：ρ為下層介質(zhì)的電阻率；ρS為表層高阻材質(zhì)的電阻率；hS為表層高阻材質(zhì)的厚度。

考慮衰減系數(shù)后，接觸電位差和跨步電位差的允許上限值分別如式（7）（8）所示：

式中：Ej為接觸電位差允許上限值（V）；Ek為跨步電位差允許上限值（V）；tS為接地故障電流持續(xù)時(shí)間（s）。

1.4.7 接地系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)

接地系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)應(yīng)包含接地極的敷設(shè)位置、敷設(shè)深度、接地裝置材料、區(qū)域接地網(wǎng)的連接形式以及網(wǎng)孔的排列方式。網(wǎng)孔排列方式分為等間距長(zhǎng)孔排列、等間距方孔排列及不等間距排列。因?yàn)楸韺油寥朗芗竟?jié)因素影響較大，電阻率不穩(wěn)定，因此可以在接地網(wǎng)的水平接地體上敷設(shè)部分垂直接地體。垂直接地體的敷設(shè)除減小季節(jié)因素對(duì)接地電阻的影響外，還可以起到減小大電流密度和疏散沖擊電流的作用。

1.4.8 接地系統(tǒng)接地電阻的計(jì)算

根據(jù)土壤的分層模型，計(jì)算接地系統(tǒng)的接地電阻。對(duì)于多層結(jié)構(gòu)土壤中接地裝置的接地電阻，則可采用模擬仿真軟件進(jìn)行計(jì)算。安徽某電站主接地網(wǎng)的敷設(shè)形式大致分為兩種，一種是敷設(shè)于均勻土壤中的大面積接地網(wǎng)，另一種是敷設(shè)于水中的水下接地網(wǎng)。

（1）均勻土壤中接地網(wǎng)電阻計(jì)算：

對(duì)于均勻土壤中面積大于100 m2的接地網(wǎng)，其接地電阻可以采用式（9）進(jìn)行簡(jiǎn)易計(jì)算。

式中：S為大于100 m2的閉合接地網(wǎng)的面積；ρ為土壤電阻率。

（2）水下接地網(wǎng)電阻計(jì)算：

測(cè)量出水體電阻率ρS，按圖2查出接地電阻系數(shù)KS值后，根據(jù)式（10）可計(jì)算出水下接地網(wǎng)電阻R。

圖2 水下接地網(wǎng)電阻計(jì)算系數(shù)查詢圖

利用曲線法求水下接地網(wǎng)電阻簡(jiǎn)單且方便，但其限制性較大，只有在水深（H=30 m、20 m、10 m）和上下層土壤介質(zhì)電阻率比值（ρ2/ρ1=2、6、10、50、100）滿足要求的情況下才能使用。文獻(xiàn)[1]提出了一種解析法，可以計(jì)算任意形狀的水下接地網(wǎng)的電阻，在實(shí)際工程中應(yīng)用較為廣泛。其計(jì)算過程如下：

式中：Rn為任意形狀水下接地網(wǎng)電阻；α1為接地網(wǎng)形狀系數(shù)；R為等效正方形接地網(wǎng)的電阻；S為任意形狀接地網(wǎng)的面積；L0為任意形狀接地網(wǎng)的外緣長(zhǎng)。

式中：h為水深；k為反射系數(shù)；ρ1為上層介質(zhì)（水）的電阻率；ρ2為下層介質(zhì)（土壤）的電阻率；L為接地網(wǎng)的總長(zhǎng)度；d為接地網(wǎng)導(dǎo)體直徑。

1.4.9 接地網(wǎng)跨步電勢(shì)與接觸電勢(shì)的計(jì)算

接地設(shè)計(jì)的一個(gè)重要目的是保障電站區(qū)域內(nèi)所有工作人員的安全，即在最嚴(yán)苛的條件下接觸電壓和跨步電壓都小于上限值。在發(fā)生接地短路時(shí)接地網(wǎng)地表面的最大接觸電勢(shì)和最大跨步電勢(shì)可按式（19）（20）計(jì)算：

式中：Ejm為最大接觸電位差；Ekm為最大跨步電位差；Kj為接觸系數(shù)；Kk為跨步系數(shù)；EW為接地裝置的電位。

當(dāng)均壓網(wǎng)導(dǎo)體的敷設(shè)深度在0.6～0.8 m時(shí)，接觸系數(shù)與跨步系數(shù)分別按式（21）（22）進(jìn)行計(jì)算[2]：

其中，Kn、Kd、Ks分別為均壓網(wǎng)導(dǎo)體根數(shù)影響系數(shù)、直徑影響系數(shù)、面積影響系數(shù)，其值可按表6所列公式進(jìn)行計(jì)算。

表6 系數(shù)Kn、Kd和Ks

式中：L為均壓網(wǎng)接地導(dǎo)體總長(zhǎng)（m）；L1為均壓網(wǎng)的外緣總長(zhǎng)（m）；S為均壓網(wǎng)面積（m2）；h為接地裝置的埋深（m）。

2 電站接地設(shè)計(jì)參數(shù)的復(fù)核

2.1 電站接地裝置的布置

水力發(fā)電站水體豐富，能夠敷設(shè)水下接地網(wǎng)。相較于敷設(shè)在土壤中的常規(guī)接地網(wǎng)，水下接地網(wǎng)具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）水體電阻率較小且與接地導(dǎo)體的接觸更加緊密，接地電阻比敷設(shè)在土壤中更低。（2）深水的溫差較小且電阻率受季節(jié)因素的影響不大，因此水下接地網(wǎng)的電阻會(huì)更加穩(wěn)定。（3）水底氧含量及腐蝕因素較土壤中少，因此水下接地網(wǎng)的腐蝕速率會(huì)更低，使用壽命更長(zhǎng)。

安徽某抽蓄電站接地網(wǎng)主要分布區(qū)域有：（1）下水庫(kù)庫(kù)體；（2）上水庫(kù)庫(kù)體；（3）地下廠房；（4）業(yè)主營(yíng)地。電站樞紐接地網(wǎng)布置如圖3所示。

圖3 電站樞紐接地網(wǎng)總布置圖

2.2 入地故障電流

根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的資料，站內(nèi)單相接地短路時(shí)，最大入地電流為7.5 kA；站外單相接地短路時(shí)，最大入地電流為4.58 kA；入地電流衰減系數(shù)為1.1時(shí)，入地電流計(jì)算值為7.5×1.1=8.25 kA。

2.3 土壤電阻率

電阻率取自杭州華東工程檢測(cè)技術(shù)有限公司2014年11月發(fā)布的《安徽某抽水蓄能電站巖土電阻率及水電阻率測(cè)試成功報(bào)告》。

（1）下水庫(kù)：表層水體電阻率為36.5 Ω·m，底層巖石電阻率為2 970 Ω·m。

（2）上水庫(kù)：表層水體電阻率為27.8 Ω·m，底層巖石電阻率為2 650 Ω·m。

（3）地下廠房：土壤按均勻介質(zhì)考慮其電阻率為30 100 Ω·m。

（4）業(yè)主營(yíng)地：土壤按均勻介質(zhì)考慮其電阻率為1 164 Ω·m。

（5）開關(guān)站：表層為置換土壤，其電阻率為83 Ω·m，底層巖石電阻率為2 970 Ω·m。

2.4 地電位的計(jì)算

2.4.1 上下庫(kù)水下接地網(wǎng)電阻計(jì)算

抽蓄電站上下水庫(kù)的深度是經(jīng)常變化的，考慮安全裕度，下庫(kù)水深計(jì)算值h取較低水位15 m，上庫(kù)水深計(jì)算值h取較低水位20 m。水庫(kù)接地網(wǎng)參數(shù)計(jì)算值如表7所示。

表7 水庫(kù)接地網(wǎng)參數(shù)表

水庫(kù)接地網(wǎng)計(jì)算條件不滿足曲線法要求，利用解析法進(jìn)行計(jì)算，上庫(kù)水下接地網(wǎng)電阻為0.944 Ω，下庫(kù)水下接地網(wǎng)電阻為0.631 Ω。

2.4.2 營(yíng)地及地下廠房接地電阻計(jì)算

營(yíng)地及地下廠房土壤視為均勻介質(zhì)，其電阻率分別為30 100 Ω·m、1 164 Ω·m，接地網(wǎng)面積分別為11 700 m2、90 000 m2，代入式（9）計(jì)算可得接地電阻分別為139 Ω、1.94 Ω。

2.4.3 聯(lián)合接地電阻計(jì)算

安徽某抽蓄電站接地裝置為電站各區(qū)域接地裝置的并聯(lián)，其接地電阻為各區(qū)域接地裝置電阻的并聯(lián)值，因連接線距離較遠(yuǎn)，考慮屏蔽系數(shù)[3]（k=1.40）及測(cè)量誤差裕度系數(shù)（k′=1.25），其接地電阻應(yīng)為R=（R上庫(kù)//R下庫(kù)//R營(yíng)地//R地下廠房）×k×k′=0.5 Ω。

2.4.4 最大地電位升計(jì)算

安徽某電站接地系統(tǒng)的最大地電位升為其接地電阻與經(jīng)接地網(wǎng)流入入地的最大故障電流的乘積，EW=0.5 Ω×8 250 A=4 125 V。

2.5 接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)計(jì)算

2.5.1 均壓網(wǎng)的分布

接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)計(jì)算選擇可能發(fā)生單相接地的500 kV設(shè)備區(qū)域，主要為500 kV開關(guān)站和地下廠房主變洞的主變壓器層。

兩處接地均采用5 m間隔的方形網(wǎng)格狀接地網(wǎng)，其設(shè)計(jì)圖如圖4、圖5所示。

圖4 開關(guān)站均壓網(wǎng)設(shè)計(jì)

圖5 主變區(qū)域均壓網(wǎng)設(shè)計(jì)（部分）

2.5.2 最大接觸電勢(shì)與跨步電勢(shì)計(jì)算

將表8的均壓網(wǎng)參數(shù)代入表6的方孔接地網(wǎng)計(jì)算公式，可得開關(guān)站區(qū)域和主變區(qū)域的接觸系數(shù)Kj分別為0.121、0.117。

表8 均壓網(wǎng)參數(shù)表

將接觸系數(shù)乘以最大地電位升得到最大接觸電勢(shì)，開關(guān)站區(qū)域和主變室區(qū)域最大接觸電勢(shì)分別為499 V、478.5 V。

在均壓導(dǎo)體埋設(shè)深度為0.8 m時(shí)，跨步系數(shù)的計(jì)算可利用簡(jiǎn)化公式（23）：

經(jīng)計(jì)算，開關(guān)站和主變室區(qū)域的跨步系數(shù)KK分別為0.057和0.067，將跨步系數(shù)乘以最大地電位升得到最大跨步電勢(shì)，開關(guān)站和主變室區(qū)域最大跨步電勢(shì)分別為234 V和277.8 V。

2.5.3 跨步電壓與接觸電壓上限值計(jì)算

通過公式（7）和（8）分別計(jì)算開關(guān)站及地下廠房區(qū)域接觸電勢(shì)、跨步電勢(shì)的允許上限值，其結(jié)果如表9所示。

表9 開關(guān)站及地下廠房區(qū)域跨步電勢(shì)與接觸電勢(shì)上限值

由上述分析可知，開關(guān)站混凝土區(qū)域在雨天潮濕時(shí)，最大接觸電壓會(huì)超過上限值，存在著一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

（1）在考慮測(cè)量誤差與并聯(lián)系數(shù)的情況下，安徽某電站接地電阻為0.5 Ω，單相短路時(shí)最大地電位升為4 125 V。由于地電位超過了2 000 V，由站內(nèi)通向站外的金屬管道和金屬欄桿等均有可能存在低電位引入和高電位引出的問題，需在出站處采取隔離措施。

（2）開關(guān)站區(qū)域內(nèi)，瀝青區(qū)域（道路路面）、鵝卵石或碎石區(qū)域（500 kV敞開式設(shè)備區(qū)）、干混凝土區(qū)域（GIS樓、繼保樓、門衛(wèi)等室內(nèi)）的接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)均滿足要求；濕混凝土區(qū)域（草坪、戶外混凝土區(qū)）的跨步電勢(shì)滿足要求，接觸電勢(shì)不滿足要求。因此，建議在開關(guān)站下雨天會(huì)濕潤(rùn)的區(qū)域（瀝青、鵝卵石區(qū)除外），如草坪、混凝土路面等，不設(shè)置金屬構(gòu)件，避免產(chǎn)生接觸電勢(shì)。

（3）地下廠房主變壓器區(qū)域接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)均滿足安全要求。