浅议大中型水电站接地电阻设计值

夏斌强，施经纬，范传青，郑智勇，马 峰

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100001；2.安徽绩溪抽水蓄能有限公司，安徽省绩溪县 245300；3.长沙科智防雷工程有限公司，湖南省长沙市 410001）

1 前言

大中型水电站接地网面积很大，面积达到数万平方米甚至几十万到百万平方米。大型水电站入地短路电流的数值很高，往往达到10kA甚至更大。大中型水电站接地阻抗设计值往往是零点几欧，其接地阻抗事实上是包含电抗分量的。但由于《水力发电厂接地设计导则》（NB/T 35050—2015）和《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T 50065—2011）两本规范都只规定了接地电阻的设计值，没有规定接地阻抗的设计值。所以本文也参照以上两本规范只讨论接地电阻设计值。

《水力发电厂接地设计导则》（NB/T 35050—2015）第3章3.1.1和《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T 50065—2011）第3.1节的规定，不同用途和不同额定电压的电气设备，除另有规定者外，应使用一个总的接地系统，接地电阻应符合其中最小值的要求。也就是说大中型水电站应采取联合接地的方式，即各种不同功能的接地，如系统接地、保护接地、防雷接地、防静电、信号接地、等电位接地网等共用一个主接地网，主接地网接地电阻设计值取各种功能接地的最小值。

2 接地电阻设计值的规程依据

依据《水力发电厂接地设计导则》（NB/T 35050—2015）条文说明4.1.3，水力发电厂接地网地电位升高直接与二次系统的安全性相关。系统发生接地故障时接地网中流动的电流，将在二次电缆的芯线—屏蔽层之间、或二次设备的信号线或电源线与地之间产生电位差。当此电位差超过二次电缆或二次设备绝缘的工频耐受电压时，二次电缆或设备将会发生绝缘破坏。因此，必须将极限电位升高控制在二次系统安全值之内。水电站接地电阻的最小值取决于二次系统对接地电阻的要求。

又依据《水力发电厂接地设计导则》（NB/T 35050—2015）条文说明4.1.3，一般的二次电缆2s 工频耐受电压较高（≥5kV）。二次设备，如综合自动化设备，其工频绝缘耐受电压为2kV、1min。从安全出发，二次系统的绝缘耐受电压可取2kV。

又依据《水力发电厂接地设计导则》（NB/T 35050—2015）条文说明4.1.3，二次系统在短路时承受的地电位升高，还决定于二次电缆的接地方式[1]。电缆屏蔽层单端接地时，电缆屏蔽层中没有电流流过，接地故障时二次电缆芯线上的感应电位很小，二次电缆承受的电位差即为地电位升高。该电位差施加在二次电缆的绝缘上，因此地电位升高直接决定于二次电缆绝缘的交流耐压及二次设备绝缘的交流耐压值。当电缆的屏蔽层双端接至接地网时，接地故障电流注入接地网会有部分电流从电缆的屏蔽层中流过，将在二次电缆的芯线上感应较高的电位，从而使作用在二次电缆的芯—屏蔽层电位差减小。对水力发电厂二次电缆的不同布置方式及不同接地故障点位置，清华大学通过大量的计算表明，双端接地电缆上感应的芯—屏蔽层电位通常不到地网电位升的20%。甚至对于土壤电阻率为50Ωm左右，边长大于100m 的接地网，即使在二次电缆屏蔽层接地点附近发生接地故障时，芯—屏蔽层电位小于地网电位升高的40%。目前，水力发电厂已实现保护在电气装置处就近设置水力发电厂内的二次电缆一般都较短，如果二次电缆的长度小于接地网边长的一半，则在最严酷的条件下，芯—屏蔽层电位差也小于40%，甚至更小。因此采用二次电缆屏蔽层双端接地，可以将地电位升高放宽到2kV/（40%）=5kV。采用二次电缆屏蔽层双端接地的方式，即使短路时地电位升高达到5kV，但作用在二次电缆芯—屏蔽层之间和二次设备上的电位差只有2kV，满足了二次系统安全的要求。

依据有关专家的研究，二次设备（综合自动化设备内部芯片和电路板）的2s工频绝缘耐受电压为5kV。因此，大中型水力发电厂接地电阻是受到其二次电缆和二次装置的绝缘耐受电压的限制，二次电缆和二次装置的最大绝缘耐受电压为5kV。当与二次电缆平行一支铜质分流线，并且把二次电缆两端接地时，可以抑制二次电缆芯与屏蔽层之间的电位差只有2kV。

基于本文前面叙述的原因，《水力发电厂接地设计导则》（NB/T 35050—2015）第4.1.1条规定了接地电阻的要求，有效接地系统的水力发电厂接地装置的接地电阻宜符合式（1）要求：

式中：R——考虑到季节变化的最大接地电阻，Ω；

I——计算用的流经接地装置的最大入地电流，A，有效值。

《水力发电厂接地设计导则》（NB/T 35050—2015）第4.1.3条，在高土壤电阻率地区或其他严重情况下，当接地装置要求作到规定的接地电阻值在技术上难以实施、经济上极不合理时，接地装置电位可以放宽，以接地装置电位（EW=IR）不超过5000V为宜。

《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T 50065—2011）第4.2.1条也有几乎相同的规定。两个规程的意思就是说大中型水电站最大接地电阻不能高于5000/I。

那么，大中型水电站接地电阻设计目标值为：

3 科学客观确定入地短路电流

那么要确定大中型水电站接地电阻，首先要科学确定入地短路电流的数值[2]。如安徽某电站，其输出线路是500kV，华东调度2021年提供的单相接地短路电流为13.4kA，依据DL/T 621附录B1计算入地短路电流，入地短路电流肯定小于最大单相接地短路电流。本文限于篇幅有限，不对入地短路电流的计算过程进程讨论。当然考虑到电网未来的发展，规程允许单相接地短路电流稍微设当调大一些，即使调大一些，安徽某电站入地短路电流取13kA足够。由湖南某公司出具的《安徽某电站接地设计复核计算》，一回入地短路电流为25.37kA，二回入地短路电流为27.19kA，这两个数据是调度提供的单相短路接地电流的两倍，显然这两个数据不科学。

在实际工作中，往往存在把单相短路接地电流当入地短路电流的情况。也有单位没有通过与电网调度沟通，单方面把入地短路电流算得很大或过小的问题。依据文习山《三峡水利枢纽接地技术的研究》，三峡电站安装26台70万kW的发电机组，总装机容量为2240万kW，三峡电站入地短路也只有33.3kA[3]。如华东某水电站装机容量为85.5万kW，输出线路为220kV，此电站把入地短路电流以30kA来计算，这样显然是取大了，会造成接地网方面盲目投资，浪费国有资产。如东北某电站装机容量为140万kW，输出线路为500kV，其入地短路电流按照4.7kA计算，显然是取小了，取小的后果是可能造成极端情况下二次系统不稳定。表1为华东各抽水蓄能电站最大入地短路电流的具体情况。

表1 华东各抽水蓄能电站最大入地短路电流情况Table 1 Max imum ground stort-circuit current of pumped storage power stations in East China

4 跨步电压和接触电压安全值与二次装置对地电位的关系

如果电站对地电位超过5000V，电站接地网接地电阻值到底行不行，如果不行的话，有哪些安全隐患？

有人认为只要跨步电压和接触电压达标，电站对地电位超过5000V也是安全的。由《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T 50065—2011）条文说明4.2.2，跨步电压和接触电压安全值的计算是以人身安全即人体可以承受的最大电流来进行计算的。跨步电压与接触电压值的大小是受对地电位与跨步系数及接触系数的综合影响。而影响接触系数Kj与跨步系数Kk因素有很多，包含均压带根数、均压带导体直径、接地网面积（长度、宽度）、接地网形状及接地网网孔数等。综上所述，当最大跨步电位差及最大接触电位差不大于人体可承受限制时接地装置的对地电位满足人身安全的要求，但不一定能满足二次设备稳定运行的要求（EW≤5000V）。

5 与二次电缆平行敷设分流线的作用

有人说只要与二次电缆平行铺设一支铜质分流线，并把二次电缆屏蔽层两端就近接主接地网，就可以抑制二次电缆和二次设备的对地电位低于5000V。这个观点也是错误的。由《水力发电厂接地设计导则》（NB/T 35050—2015）条文说明4.1.3可以看出，与二次电缆平行铺设一支铜质分流线，把二次电缆两端接地只能抑制5000V以内的对地电位。当对地电位超过5000V时，二次电缆芯与屏蔽层之间的电位会超过2kV，也就超过二次电缆的最大耐电压2000V。

《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T 50065—2011）条文说明4.2.1也有类似的说明。

与二次电缆平行敷设分流线，并把二次电缆两端接地，只能抑制二次电缆5000V以内的对地电位，使二次电缆芯—屏蔽层的电位小于2000V，对于超过5000V的对地电位，其二次电缆芯—屏蔽层的电位大于2000V。二次电缆平行敷设的铜质分流线更加不能抑制二次装置内部芯片与电路板的对地位。

6 接地电阻超过5000/I的危害

在实际工程中，如果水电站接地电阻大于5000/I，该怎么办呢？有人说依据《水力发电厂接地设计导则》（NB/T 35050—2015）第4.1.3条第5款：必要时，经专门计算，且采取的措施可确保人身和设备安全可靠时，接地网对地电位高可超过5000V。规程里的意思就是说要有措施保证人身和设备安全可靠。但只是跨步电压和接触电压合格，再加以二次电缆平行安装铜质分流线，把二次电缆接地两端接地显然是不够的。到底该怎么做可以保证二次电缆和二次设备的安全，剥除一定长度的二次电缆屏蔽层也只能限制二次电缆的对地电位不超过2000V。特别是怎样保证二次系统二次装置里面集成电路版和芯片的安全，NB/T 35050—2015和GB/T 50065—2011都没有明确的规定。保证二次系统二次装置里面集成电路板和芯片的安全，这个问题在全国电力系统都是一个科研难题，并且没有技术规程可以遵循，笔者在国内也暂时没有发现成功案例，在没有成功案例可以参照情况下，要研究出具体方案来解决这个问题其科研经费和工程实施的造价也可能是一个天文数字。当然，成本高难度大并不意味着一定没有办法解决，起码从理论上讲总是有具体办法限制二次系统二次装置里面集成电路板和芯片的对地电位不超过5000V。

有人说有电站的接地电阻大于5000/I，电站运行了很多年，但电站二次系统没有发生过与接地有关的故障，所以没有必要投资解决接地电阻偏大的问题。在现代电力系统里面发生单相短路接地故障本来是一个小概率的事件，但没有发生单相短路接地故障并不能保证以后不发生单相短路接地故障。接地电阻设计值不大于5000/I，本来就保证即使发生单相短路接地故障，并且也假设继电保护失灵的极端情况下保证二次系统的安全稳定性万无一失。如果大中型水电站接地电阻大于5000/I，电力系统发生单相接地短路并且继电保护失灵，那么二次系统二次装置会出现死机或重启等故障现象。

7 结论

大中型水电站接地网设计时，应尽量利用现有水库或河道扩大水下接地网面积，使接地电阻不大于5000/I。如抽水蓄能电站设计地网时，尽可能利用上库水体和下库水体及周边2km以内的低土壤电阻率区域实施接地网。山西西龙池抽水蓄能电站，其开关站靠近下库，但为了最大限度降低接地电阻，仍然在上库铺满了高规格网格接地网。又如蒲石河抽水蓄能电站，虽然开关W站与上库相距较远，但也在上库设计了高规格的网格地网。以安徽某抽水蓄能电站为例，设计地网时只是利用了下库及下库周边敷设了35万m2的接地网，也设计了上下库地网通过输水管互联互通，此电站完全可以利用上库30万m2的水体敷设地网，使此电站接地电阻再降低一个层次。又如华东某大型水电站，大坝上游水体面积远远大于抽水蓄能电站上下库面积之和，有数百万平方米的水库可以实施地网，完全有条件使地网接地电阻降到2000/I以内。又如华北某抽水蓄能电站，其下库为河道筑坝而成，设计时只利用了下库面积的三分之一，即20万m2敷设地网，下库还有40万m2的水体没有敷设地网，如果完全利用下库面积敷设地网，此电站接地电阻也可以达到2000/I以内。

本文也呼吁国内接地专家多开展一些接地电阻大于5000/I的前提条件下，有哪些切实可行的措施可以限制二次系统二次装置里面集成电路板和芯片的对地电位不超过5000V。