浅论抽蓄电站接地系统设计

王雄飞 李赟俐 马锋 高海欧

（1.安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽六安 237300；2.华东宜兴抽水蓄能有限公司，江苏无锡 214200；3.长沙科智防雷工程有限公司，湖南长沙 410001）

0 引言

电站内接地系统各种不同的功能性接地（系统接地、保护接地、防静电接地）可以共用同一接地装置，但评价标准不同。对接地网安全性的评价，主要是围绕故障状态下接地网中有最大入地电流时设备和人员的安全性来展开的。因此，除接地电阻外，接地网性能的评价标准还包含了设备导通性、场区地表电位梯度分布、接触电压、跨步电压等接地装置特性参数。

本文以安徽某电站为例，简单阐述了电网接地系统的设计要素，并以规范的要求对电站的接地电阻、接触电压及跨步电压进行了复核。

1 电站接地设计

1.1 设计目标

合格的接地网应能在故障状态下地电位升高到最大时，保障人身和设备的安全。

1.2 设计要求

（1）掌握接地网施工区域的地形地貌，测量土壤及水体的电阻率，了解土壤垂直、水平的分层情况及腐蚀性。（2）了解电站区域内构建筑物的布置结构，确定可利用的自然接地体情况。（3）确定设计水平年内的最大接地故障不对称电流有效值。（4）确定分流系数并根据分流系数计算经过接地网的最大入地故障电流。（5）计算初设接地网的接地电阻，将其与限值作比较，通过不断优化使其达到要求。（6）在设计接地网的接地电阻达标后，计算地表的接触电位差和跨步电位差，并将其与允许上限值进行比较。若不合格，则采取措施降低电位差或提高允许上限值。（7）确定接地装置使用的材质，应能满足设计年限内腐蚀性的要求。（8）确定接地装置的规格，其截面积应能满足机械应力及热稳定性的要求。

1.3 设计参数

接地网主要设计参数的说明如表1所示。

表1 接地系统主要设计参数说明

1.4 设计步骤

1.4.1 调研土壤地质特性

土壤电阻率是接地系统重要设计参数，其测量方法主要有四极等距法（Wenner四极法）、四极不等距法（Schlumberger-palmer）和三极法。其计算值应由测量值乘以环境系数（湿度、温度、含盐量及季节影响）获得。

水体电阻率的测量宜采用电导仪，采样水体分3瓶盛装，每瓶1 000 mL。计算值取3瓶采样水体的平均值。

1.4.2 确定接地装置的面积

根据电站区域的地理条件来确定接地网的面积，一般来说，在一定范围内增加接地网面积是降低接地电阻的最好措施。

1.4.3 最大入地故障电流的计算

接地网最大入地故障电流IG为故障时延tf对应的衰减系数Df与额定对称接地网入地电流Ig的乘积，其中衰减系数的精确求解非常复杂，一般可根据系统的电抗与电阻比值（X/R）进行求解（表2）。如果持续时间为表中所列数值的中间值，可采用线性插值进行求解。

表2 典型的衰减系数Df值

1.4.4 确定短路电流持续时间

故障电流持续时间与其对人体的伤害程度成正比，时间越长伤害越大。500 kV电站其短路电流持续时间为断路器失灵保护持续时间0.4 s。

1.4.5 确定接地导体尺寸

接地导体埋在土壤中，由于电化学腐蚀，导体直径将会随着使用年限的增加而减小，因此接地导体的导电性及稳定性也会下降。所以，接地导体尺寸应满足设计年限内土壤腐蚀的要求，防腐设计应根据土壤的腐蚀数据确定。若无当地的土壤腐蚀数据，也可根据同类型土壤腐蚀性地区的运行经验确定。

满足机械应力要求的钢制接地体最小规格尺寸如表3所示，铜制接地材料最小规格尺寸如表4所示。

表3 钢制接地体的最小规格

表4 铜制接地材料的最小规格

根据热稳定条件，接地线材料为钢、铜或铝材的最小截面积Sjd应满足式（1）的要求。

式中：I为故障电流最大值；C为接地导体的热稳定系数；t为故障电流持续时间。

常用接地导体的热稳定系数如表5所示。

表5 常用接地导体热稳定系数

1.4.6 接触电压和跨步电压允许上限值

如图1所示，电击的类型主要有接触电击和跨步电击。造成接触电击的原因是接触电位差，其是指在最大地电位升高的情况下，距离设备构架底部垂直距离2.0 m处与水平地面1.0 m处两点间的电位差。造成跨步电击的原因是跨步电位差，其是指在最大地电位升高的情况下，地面上水平距离为1.0 m处两点间的电位差。

图1 电击分类示意图

根据国外学者的研究，人体可承受的最大交流电流有效值Ib（单位：mA）由式（2）（3）决定：

对于体重50 kg的人：

对于体重70 kg的人：

式中：tS为通过人体电流的时间，等于接地故障的等效持续时间。

人体的电阻变动范围很大，《交流变电站接地安全指南》（IEEE Std 80—2000）选用1 000 Ω，而我国自1979年发布《电力设备接地设计技术规程》（SDJ 8—1979）以来，一直采用1 500 Ω。人脚站在地面上时的电阻Rg可视为一个直径16 cm金属板置于地面上的电阻，该电阻经计算为所站区域土壤电阻率的3倍。于是，人体可承受接触电位差和跨步电位差的限值（体重50 kg）分别可由式（4）（5）计算：

当接地装置的表层土壤敷设了高电阻率材料时（防静电涂层、沥青混凝土等），根据《交流变电站接地安全指南》（IEEE Std 80—2000）的要求，接触电位差和跨步电位差的允许上限值的计算需引入校正系数即表层衰减系数CS，计算公式如式（6）所示：

式中：ρ为下层介质的电阻率；ρS为表层高阻材质的电阻率；hS为表层高阻材质的厚度。

考虑衰减系数后，接触电位差和跨步电位差的允许上限值分别如式（7）（8）所示：

式中：Ej为接触电位差允许上限值（V）；Ek为跨步电位差允许上限值（V）；tS为接地故障电流持续时间（s）。

1.4.7 接地系统的初步设计

接地系统的初步设计应包含接地极的敷设位置、敷设深度、接地装置材料、区域接地网的连接形式以及网孔的排列方式。网孔排列方式分为等间距长孔排列、等间距方孔排列及不等间距排列。因为表层土壤受季节因素影响较大，电阻率不稳定，因此可以在接地网的水平接地体上敷设部分垂直接地体。垂直接地体的敷设除减小季节因素对接地电阻的影响外，还可以起到减小大电流密度和疏散冲击电流的作用。

1.4.8 接地系统接地电阻的计算

根据土壤的分层模型，计算接地系统的接地电阻。对于多层结构土壤中接地装置的接地电阻，则可采用模拟仿真软件进行计算。安徽某电站主接地网的敷设形式大致分为两种，一种是敷设于均匀土壤中的大面积接地网，另一种是敷设于水中的水下接地网。

（1）均匀土壤中接地网电阻计算：

对于均匀土壤中面积大于100 m2的接地网，其接地电阻可以采用式（9）进行简易计算。

式中：S为大于100 m2的闭合接地网的面积；ρ为土壤电阻率。

（2）水下接地网电阻计算：

测量出水体电阻率ρS，按图2查出接地电阻系数KS值后，根据式（10）可计算出水下接地网电阻R。

图2 水下接地网电阻计算系数查询图

利用曲线法求水下接地网电阻简单且方便，但其限制性较大，只有在水深（H=30 m、20 m、10 m）和上下层土壤介质电阻率比值（ρ2/ρ1=2、6、10、50、100）满足要求的情况下才能使用。文献[1]提出了一种解析法，可以计算任意形状的水下接地网的电阻，在实际工程中应用较为广泛。其计算过程如下：

式中：Rn为任意形状水下接地网电阻；α1为接地网形状系数；R为等效正方形接地网的电阻；S为任意形状接地网的面积；L0为任意形状接地网的外缘长。

式中：h为水深；k为反射系数；ρ1为上层介质（水）的电阻率；ρ2为下层介质（土壤）的电阻率；L为接地网的总长度；d为接地网导体直径。

1.4.9 接地网跨步电势与接触电势的计算

接地设计的一个重要目的是保障电站区域内所有工作人员的安全，即在最严苛的条件下接触电压和跨步电压都小于上限值。在发生接地短路时接地网地表面的最大接触电势和最大跨步电势可按式（19）（20）计算：

式中：Ejm为最大接触电位差；Ekm为最大跨步电位差；Kj为接触系数；Kk为跨步系数；EW为接地装置的电位。

当均压网导体的敷设深度在0.6～0.8 m时，接触系数与跨步系数分别按式（21）（22）进行计算[2]：

其中，Kn、Kd、Ks分别为均压网导体根数影响系数、直径影响系数、面积影响系数，其值可按表6所列公式进行计算。

表6 系数Kn、Kd和Ks

式中：L为均压网接地导体总长（m）；L1为均压网的外缘总长（m）；S为均压网面积（m2）；h为接地装置的埋深（m）。

2 电站接地设计参数的复核

2.1 电站接地装置的布置

水力发电站水体丰富，能够敷设水下接地网。相较于敷设在土壤中的常规接地网，水下接地网具有以下优势：（1）水体电阻率较小且与接地导体的接触更加紧密，接地电阻比敷设在土壤中更低。（2）深水的温差较小且电阻率受季节因素的影响不大，因此水下接地网的电阻会更加稳定。（3）水底氧含量及腐蚀因素较土壤中少，因此水下接地网的腐蚀速率会更低，使用寿命更长。

安徽某抽蓄电站接地网主要分布区域有：（1）下水库库体；（2）上水库库体；（3）地下厂房；（4）业主营地。电站枢纽接地网布置如图3所示。

图3 电站枢纽接地网总布置图

2.2 入地故障电流

根据设计院提供的资料，站内单相接地短路时，最大入地电流为7.5 kA；站外单相接地短路时，最大入地电流为4.58 kA；入地电流衰减系数为1.1时，入地电流计算值为7.5×1.1=8.25 kA。

2.3 土壤电阻率

电阻率取自杭州华东工程检测技术有限公司2014年11月发布的《安徽某抽水蓄能电站岩土电阻率及水电阻率测试成功报告》。

（1）下水库：表层水体电阻率为36.5 Ω·m，底层岩石电阻率为2 970 Ω·m。

（2）上水库：表层水体电阻率为27.8 Ω·m，底层岩石电阻率为2 650 Ω·m。

（3）地下厂房：土壤按均匀介质考虑其电阻率为30 100 Ω·m。

（4）业主营地：土壤按均匀介质考虑其电阻率为1 164 Ω·m。

（5）开关站：表层为置换土壤，其电阻率为83 Ω·m，底层岩石电阻率为2 970 Ω·m。

2.4 地电位的计算

2.4.1 上下库水下接地网电阻计算

抽蓄电站上下水库的深度是经常变化的，考虑安全裕度，下库水深计算值h取较低水位15 m，上库水深计算值h取较低水位20 m。水库接地网参数计算值如表7所示。

表7 水库接地网参数表

水库接地网计算条件不满足曲线法要求，利用解析法进行计算，上库水下接地网电阻为0.944 Ω，下库水下接地网电阻为0.631 Ω。

2.4.2 营地及地下厂房接地电阻计算

营地及地下厂房土壤视为均匀介质，其电阻率分别为30 100 Ω·m、1 164 Ω·m，接地网面积分别为11 700 m2、90 000 m2，代入式（9）计算可得接地电阻分别为139 Ω、1.94 Ω。

2.4.3 联合接地电阻计算

安徽某抽蓄电站接地装置为电站各区域接地装置的并联，其接地电阻为各区域接地装置电阻的并联值，因连接线距离较远，考虑屏蔽系数[3]（k=1.40）及测量误差裕度系数（k′=1.25），其接地电阻应为R=（R上库//R下库//R营地//R地下厂房）×k×k′=0.5 Ω。

2.4.4 最大地电位升计算

安徽某电站接地系统的最大地电位升为其接地电阻与经接地网流入入地的最大故障电流的乘积，EW=0.5 Ω×8 250 A=4 125 V。

2.5 接触电势和跨步电势计算

2.5.1 均压网的分布

接触电势和跨步电势计算选择可能发生单相接地的500 kV设备区域，主要为500 kV开关站和地下厂房主变洞的主变压器层。

两处接地均采用5 m间隔的方形网格状接地网，其设计图如图4、图5所示。

图4 开关站均压网设计

图5 主变区域均压网设计（部分）

2.5.2 最大接触电势与跨步电势计算

将表8的均压网参数代入表6的方孔接地网计算公式，可得开关站区域和主变区域的接触系数Kj分别为0.121、0.117。

表8 均压网参数表

将接触系数乘以最大地电位升得到最大接触电势，开关站区域和主变室区域最大接触电势分别为499 V、478.5 V。

在均压导体埋设深度为0.8 m时，跨步系数的计算可利用简化公式（23）：

经计算，开关站和主变室区域的跨步系数KK分别为0.057和0.067，将跨步系数乘以最大地电位升得到最大跨步电势，开关站和主变室区域最大跨步电势分别为234 V和277.8 V。

2.5.3 跨步电压与接触电压上限值计算

通过公式（7）和（8）分别计算开关站及地下厂房区域接触电势、跨步电势的允许上限值，其结果如表9所示。

表9 开关站及地下厂房区域跨步电势与接触电势上限值

由上述分析可知，开关站混凝土区域在雨天潮湿时，最大接触电压会超过上限值，存在着一定的安全风险。

3 结论

（1）在考虑测量误差与并联系数的情况下，安徽某电站接地电阻为0.5 Ω，单相短路时最大地电位升为4 125 V。由于地电位超过了2 000 V，由站内通向站外的金属管道和金属栏杆等均有可能存在低电位引入和高电位引出的问题，需在出站处采取隔离措施。

（2）开关站区域内，沥青区域（道路路面）、鹅卵石或碎石区域（500 kV敞开式设备区）、干混凝土区域（GIS楼、继保楼、门卫等室内）的接触电势和跨步电势均满足要求；湿混凝土区域（草坪、户外混凝土区）的跨步电势满足要求，接触电势不满足要求。因此，建议在开关站下雨天会湿润的区域（沥青、鹅卵石区除外），如草坪、混凝土路面等，不设置金属构件，避免产生接触电势。

（3）地下厂房主变压器区域接触电势和跨步电势均满足安全要求。