马马崖一级水电站接地设计与分析

陈丹燕，张光成，刘 涛，王 勇

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳550081）

1 电站概况

马马崖一级水电站枢纽建筑物由碾压混凝土重力坝、坝身溢流表孔、左岸引水系统、左岸地下厂房和尾水系统组成。总装机容量558MW，开发任务是以发电为主，航运次之。

电站装机3×180+1×18MW，以220kV一级电压、出2回接入系统。发电机电压侧采用发电机-变压器组单元接线，220kV出线侧采用双母线接线。站内预留一个出线间隔的可能。为保证电站安全经济运行，对本电站的接地进行深入研究，确定了经济可靠的接地设计方案。

2 接地方案

全厂接地网由地下厂房接地网，大坝、进水口、坝区变接地网，上游库区水下接地网，中控楼接地网，下游尾水渠水下接地网及引水发电系统接地网等几部分组成，各地网之间相互连接构成整个电站的接地网。

在CDEGS中建立的马马崖一级水电站接地计算模型如图1所示。

根据接地电阻及入地短路电流的计算，电站的接地电阻为0.958∠6.5°Ω；由于电站的最大入地短路电流为4.446kA，根据GB 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》：对于有效接地系统和低电阻接地系统，GPR应符合下列要求：

马马崖一级水电站的GPR为4.446kV，已经超过了2kV，需要对接地网的点位分布做安全性校验，安全性校验主要包括接触电势、跨步电势、网内电位差和地电位升是否反击10kV避雷器的校验。

图1 接地计算模型图

3 接地设计安全性校验

3.1 跨步、接触电势校验

据GB/T 50065，发电厂和变电站接地网的接触电位差和跨步电位差不应超过下列二式计算所得的数值：

其中，Ut为接触电位差允许值；Us为跨步电位差允许值；ρs为地表层的电阻率，Cs为表层衰减系数；t为接地故障电流持续时间。

取t=0.5s，考虑到变电站表层已敷设绝缘地坪，取ρsCs=1000，即接触电势和跨步电势的允许值分别为Ut=486.5V，Us=1236.0V。

从电站开关站边角注入最大入地短路电流4.641kA，开关站接地导体按设计图纸布置，经计算得到开关站的接触和跨步电势如图2、3所示。

图2 开关站接触电势色块图

图3 开关站跨步电势色块图

从图2和图3可以看出，在开关站边角注入最大入地短路电流时，其最大的接触电势156.891V，小于允许的最大接触电势Ut=486.5V，最大跨步电势为24.845V，同样也小于允许的最大跨步电势Us=1236.0V。

3.2 网内电位差校验

在开关站边角注入最大入地短路电流4.641kA，经计算得到各部分接地网的地电位和网内电位差如表1所示。

表1 电站各部分接地网电位分布表

从表1可知，电站最大的网内电位差是开关站与上水库电位差，为1015V，小于规程要求的2kV，因此可以保证二次设备和二次电缆的绝缘安全。

3.3 地电位升高反击时10kV避雷器校验

接地网电位升高时对低压避雷器的反击可以通过图4所示的模型进行分析。接地网的电位升Ug加在避雷器端子对接地网间的电容CB和线路对地电容CL的串联回路上。由于CL＞CB，所以认为全部的地电位升都将作用在CB上，也就是避雷器上。

图4 地电位升反击低压避雷器示意图

接地系统设计时要求保证电站内所有6～10kV避雷器在地暂态电压的反击下不动作，因而要求全厂的工频接地电阻值R应满足：

其中U1S为6～10kV避雷器1s工频耐受电压（kV），Uxge为电力网标称相电压（kV），I为入地短路电流稳态有效值（kA）。

以10kV系统中额定电压为17kV的电站型避雷器为例，其1s工频耐受电压约为额定电压的1.25倍，即U1S=21.25kV，由于10kV系统的相电压为5.8kV，则根据式（1）可以计算出其最大允许的稳态地电位升为8.58kV。而对于额定电压为13.5kV的电机用避雷器，U1S=16.88kV，则最大允许的稳态地电位升只有6.15kV。

电站的稳态地电位升VG=0.958×4.641kV=4.446kV，根据以上分析可知，即使是电机型的避雷器，要使地电位升反击10kV避雷器，其GPR要达到6.15kV，马马崖一级水电站的GPR只有4.446kV，小于反击避雷器的GPR，不存在接地网地电位升反击10kV避雷器的问题。

4 接地设计结论与分析

（1）大范围土壤电阻率对接地阻抗的影响很大，当大范围土壤电阻率从500Ω·m增加到2000Ω·m时，接地阻抗从0.484Ω增加到了1.442Ω，增加了197.9%。

（2）接地导体材料对接地阻抗有一定影响，马马崖一级水电站采用铜材地网相比钢材其接地阻抗降低了10.6%，不等电位现象不明显。

（3）随着上库水深的增加，马马崖一级水电站的接地阻抗逐渐减小，因此上游水深对接地阻抗有一定的影响，但不明显。当上库水深从48m增加到58m时，接地阻抗从0.960Ω降低到0.956Ω，仅降低了0.4%。若上下水库都不蓄水，则马马崖一级水电站的接地阻抗为1.045∠5.978°Ω。

（4）由于厂房相对于开关站更接近接地网的中心地区，散流更均匀，所以短路点为开关站的接地阻抗较短路点为厂房时的接地阻抗大，短路点为开关站边角时的接地阻抗较短路点为开关站的中心时的接地阻抗大。

（5）马马崖一级水电站的大范围土壤电阻率为1233Ω·m，则其接地阻抗为0.958∠6.5°Ω。（另外，由于所采用土壤电阻率测量方法的限制，土壤电阻率的测量值与实际值会有一定差异，使接地阻抗的理论计算存在一定的误差，最后应以实测值为准）。

（6）由于马马崖一级水电站地处山区，扩大接地网面积降阻难以实现，而采用深井接地和降阻剂的降阻效果皆不理想。

（7）马马崖一级水电站发生站内故障时，两相接地短路时的入地短路电流略大于单相接地短路时的入地短路电流，而站外故障时，两相接地短路时的入地短路电流略小于单相接地短路时的入地短路电流。

（8）站内短路时，若电站接地电阻取0.85Ω，杆塔接地电阻取30Ω，则最大入地短路电流稳态有效值为1.661kA。

（9）站外短路时，入地短路电流与短路点有关，随着短路点离电站距离的增大，入地短路电流呈现先增大后减小的趋势。直至短路发生在站外第22基杆塔时入地短路电流达到最大，最大入地短路电流的稳态有效值为3.315kA。

（10）马马崖一级水电站站内电源强于系统电源，所以站外短路时入地短路电流较大。根据上述计算结果，最严重情况下入地短路电流稳态有效值为3.315kA，取直流分量的衰减系数为1.4，则考虑暂态效应后入地短路电流为4.641kA。

（11）马马崖一级水电站的GPR为4.446kV，已经超过了2kV，需要对接地网的电位分布做安全性校验，安全性校验主要包括接触电势、跨步电势、网内电位差和地电位升是否反击10kV避雷器的校验。

（12）在开关站边角注入最大入地短路电流4.641kA时，开关站的最大接触电势156.891V，小于允许的最大接触电势Ut=486.5V，最大跨步电势为24.845V，同样也小于允许的最大跨步电势Us=1236.0V。

（13）在开关站边角注入最大入地短路电流4.641kA时，马马崖一级水电站最大的网内电位差是开关站与上水库电位差，为1015V，小于规程要求的2kV，因此可以保证二次设备和二次电缆的绝缘安全。

（14）马马崖一级水电站的稳态地电位升VG=0.958×4.641kV=4.446kV，即使是电机型的避雷器，要使地电位升反击10kV避雷器，其GPR要达到6.15kV，马马崖一级水电站的GPR只有4.446kV，小于反击避雷器的GPR，不存在接地网地电位升反击10kV避雷器的问题。

（15）马马崖水电站在基建与运行时注意了高电位引出、地电位引入的问题，所有通信电缆采用光纤。

综上，虽然马马崖一级水电站的土壤电阻率偏高，接地电阻较高，达到了0.958Ω（实测值0.58Ω），致使其地电位升超过了2kV，但是经过对接地网进行安全性分析，在上文所述的条件下，即使不采取降阻措施，电站的接地网仍满足安全运行的条件。

5 结语

本文简述马马崖一级水电站接地网的设计与分析，通过对接地设计方案进行安全性校验，电站的接地网满足相关规范要求及安全运行条件，可供大型水电站接地系统设计及其安全性校验参考。