尼泊尔SANJEN水电站接地系统分析及计算

张 宇，冯云华

(水利部四川水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

尼泊尔SANJEN水电站接地系统分析及计算

张 宇，冯云华

(水利部四川水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

尼泊尔Sanjen水电站装机容量43MW，应用IEEEGuideforSafetyinACSubstationGrounding(IEEESTD80-2000)进行接地系统的设计计算，确保电站人员及各种设备安全。计算包括接地电阻、接地导体截面选择、接触电压、跨步电压及地面电位升高(GPR)等。本项目接地系统包括132kV变电站底板接地，电站厂房底板接地及尾水渠底板接地。

接地电阻 故障电流 分流系数 跨步电压 接触电压 地电位升高SANJEN水电站

1 工程概况

尼泊尔SANJEN电站为引水式电站，电站装设3台机组，1号、2号、3号机组分别装设1台14.32MW立式混流式水轮发电机组。

电气主接线：3台容量为14.32MW发电机(cosφ=0.85)分别与3台变压器采用单元接线，电压等级11kV，发电机出口装设发电机出口专用断路器；高压135.3kV侧采用单母线接线，出线一回至CHILIME电站。

SANJEN电站按“无人值班”原则设计，采用计算机监控系统控制。本工程施工目前处于厂房开挖阶段。

2 接地计算

2.1 计算依据

(1)根据已测得的电阻率值800Ω·m进行接地计算，电阻率是取值与本工程地质结构范围内的平均测量值；

(2)地网上地表覆盖一层0.08m～0.2m如沥青之类的高电阻率土层，使站内土壤和人脚之间的接触电阻增加，接地故障持续时间为0.5s；

(3)在有限的工程接地面积、土壤电阻率800Ω·m的情况下，接地系统设计时采用了离子接地体；

(4)计算的接触电压、跨步电压满足安全要求。

SANJEN电站接地系统接地计算参数见表1。

表1 电站接地系统接地计算参数

2.2 故障电流计算

根据《IEEEGuideforSafetyinACSubstationGrounding(IEEESTD80-2000)》，有效非对称故障电流If=3I0。

经过阻抗变换，分别计算132kV母线、11kV母线接地故障短路电流值。

2.3 接地导体截面选择

根据IEEE-STD80-2000表10〔1〕中可查得：

故障持续时间为0.5s，X/R=40(短路发生在主变压器高压侧)；

故障持续的时间tf内的衰减系数Df值约为1.1。

因此，由132kV母线单相接地故障短路电流值来确定接地导体截面数值。

对称电流等效值IF为20523×1.1=22575A(该电流值将被用来确定满足接地要求的接地导体最小尺寸)。假定铜导体环境温度为40°C，根据IEEESTD80-2000中公式(42)〔1〕与表2〔1〕得到接地导体截面积，考虑3s的短路持续时间(用于选择导体)以及硬扎铜1084°C的熔点温度，所需截面积计算结果为：

274kcmil=140mm2

根据以上计算结果，接地导体的截面积须不小于140mm2，考虑到导体机械强度及耐用性要求，导体截面积确定为150mm2。

2.4 跨步电位差和接触电位差允许值

本工程接地系统接触电位差与跨步电位差标准，基于0.2m厚度的碎石表面，5000Ω·m的表面电阻率，以及800Ω·m的土壤平均测量电阻率，不同电阻率材料之间的反射系数K由IEEESTD80-2000中公式(21)〔1〕计算。

K=-0.72的碎石，电阻率将按衰减因子Cs≈0.72降低。衰减因子Cs可用IEEESTD80-2000中公式(27)近似表示：

电站的接地装置在围墙之内，预计人员的体重约为70kg，IEEESTD80-2000中公式(30)〔1〕和(33)〔1〕可分别计算可承受的跨步电位差和接触电位差：

=5883.8V

2.5 接地电阻

导体等间隔布设，其间隔D=5m，本工程厂房、升压站以及尾水的布置方式，根据IEEE-STD80的方法建立——矩形接地计算模型，矩形面积125m×70m(包括升压站、主厂房)、5m×20m(尾水)，然后根据矩形的长宽以及导体间隔，计算出所需水平接地导体长度。本项目设计垂直接地极26根，每根3m长。

由IEEESTD80-2000中公式(52)〔1〕，主厂房与升压站接地电阻为：

尾水接地电阻：

由IEEESTD-8013.1表7查得水下混凝土电阻率21～100，因此取ρ=60。

离子接地体接地电阻：

安装20根离子接地体后的接地电阻：

根据上述计算，可得工程总接地电阻：

Rg=0.85Ω

2.6 分流系数值

由于初始接地故障电流不间断的流动，地网对称电流可以表示为Ig=Sf·(3I0)〔1〕

为了确定Ig，必须计算电流分流系数Sf。计算过程包括导出与地网相连的架空接地线、中性线等的一个等效表达式，然后求解这个等效表达式，以便确定流过地网和地之间的电流占总故障电流的比例，以及多大部分总故障电流流经接地线或中性线。

Sf由许多参数决定，其中部分参数为：(1)接地故障位置；(2)本工程总接地网的阻抗大小；(3)与本工程直接相连的架空接地线，中性线或其它的接地回路。

IG=Df·Ig

2.7 地面电位升高(GPR)及跨步电位差和接触电位差计算

根据IEEESTD665-1995(R2001)，地电位提升(groundpotentialrise(GPR))参考公式〔2〕，计算结果如下：

IG=Df·Sf·3·I0·Cp

IG=(1.1)(0.718)(20523)(1.25)=20261.25A

GPR=IG·|Zg|

GPR=20261.25×0.61=12359.4V

它远大于Etouch70的安全值1637.5V，因此本接地设计必需作进一步计算。对于接地网的细化设计，根据IEEESTD80-2000条款16.5.1〔1〕公式仍可用于估算地网角位的网孔电压。然而，由于地网是矩形，根据公式IEEESTD-80(84)～(88)〔1〕确定的因子，用于计算网孔电压的n值。

n=na·nb·nc·nd

LP=125+125+70+70=390

nd=nc=1

n=(18.95)(1.02)(1)(1)=19.33

现由IEEESTD80-2000中公式(81)〔1〕和公式(83)〔1〕计算Km

Kii=1(对有垂直接地极的地网)

=0.42

用IEEESTD80-2000中公式(89)计算Ki

Ki=0.644+0.148·n

Ki=0.644+0.148×19.33=3.505

最后，利用公式(80)和公式(91)〔1〕计算Em，

=4999.9V

这里计算的网孔电压明显高于1637.5V的的Etouch70上限。

因为跨步电压还没计算，还要用公式(92)～(94)〔1〕分别计算Es、Ls和Ks，Ki仍为3.505(与网孔电压值同)。

=0.276，则

计算出角落的网孔电压现在低于可承受的接触电压(即4420.78V与5883.8V的比较)，网孔电压明显高于1637.5V的Etouch70上限，因此，升压站地面将被覆盖一层高电阻率材料(ρs≥30000)。为得到一个安全接地的设计，可作如下计算：

当ρs≥30000，衰减因子Cs可用IEEESTD80-2000中公式(27)〔1〕近似表示：

=8415V

Em=4999.9V

计算出角落的网孔电压现在低于可承受的接触电压(即4999.9V与8415V的比较)：

=32993.9V

Es=4420.78V

算出的Es远低于可承受的跨步电压，即4420.78V远低于32993.9V。

3 建议及结论

通过本工程接地设计，有如下结论：

4.1 确定最大短路故障电流主要来自于系统侧短路提供。

4.2 可开展进一步土壤电阻率测量，尤其是周围土壤电阻率及平均天然岩土电阻率测量及试验，以保证计算结果更符合工程实际情况。

4.3 本工程接地网设计网格尺寸5m×5m是合适的。

4.4 采取适当的解决措施，以使接触电压达到安全水平。由计算可知，“因网孔电压明显高于1637.5V的Etouch70上限，升压站地面将被覆盖一层高电阻率材料”。这里的高电阻率材料建议使用沥青，厚度0.2m。

4.5 电站外延伸的任何金属路径，如围栏、轨道、水管、煤气管道、石油管道等，应在适当位置安装绝缘型材或法兰以防止潜在的转移电位在电站外区域，造成危险的接触和跨步电位差。

4.6 由于原生土壤的不确定性及岩石电阻率的原因，在施工过程中，应测量系统接地电阻、接触电位差和跨步电位差，并与接地计算结果比较。

4.7 敷设的表面沥青，应测量或测试以确保其电阻率符合要求，使接触电压和跨步电压达到设计安全水平。

4.8 经接地设计计算，本工程招标阶段接地工程量满足施工期间接地施工要求。

〔1〕IEEESTD80-2000Copyright@2000IEEE.Allrightsreserved.

〔2〕IEEESTD665-1995(R2001)Copyright@1998IEEE.Allrightsreserved.

张 宇(1970-)，男，成都人，工程师，本科，主要研究方向电气一次；

冯云华(1979-)，女，重庆人，工程师，本科，主要研究方向电气一次。

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2095-1809(2016)01-0092-04