國(guó)外發(fā)電廠接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)及安全性能評(píng)估

鄒 杰 陳 平 魏華棟 于明輝

（山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南250013）

0 引言

國(guó)外發(fā)電廠的設(shè)計(jì)項(xiàng)目越來(lái)越多，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB往往不被接受，其中，大部分國(guó)外項(xiàng)目都明確要求按照IEEE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)［1］。

目前，國(guó)內(nèi)接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以接地電阻的計(jì)算為主要內(nèi)容，而對(duì)發(fā)電廠地表的電位分布、接觸電壓、跨步電壓只是簡(jiǎn)單校驗(yàn)。接地網(wǎng)設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，還處于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，利用簡(jiǎn)單公式進(jìn)行計(jì)算，無(wú)法評(píng)估全廠范圍內(nèi)不規(guī)則形狀的地網(wǎng)的安全性。本文以菲律賓某燃煤電站的接地網(wǎng)為例，介紹應(yīng)用CDEGS軟件進(jìn)行涉外發(fā)電廠工程的接地網(wǎng)安全性能評(píng)估的方法。

1 CDEGS軟件簡(jiǎn)介

CDEGS 是 Current Distribution、Electromagnetic Field、Grounding and Soil Structure Analysis（電流分布、電磁場(chǎng)、接地和土壤結(jié)分布）的縮寫(xiě)，由加拿大SES公司（Safe Engineering Services ＆ Technologies Itd.，安全技術(shù)工程服務(wù)有限公司）出品。該軟件為接地、電磁場(chǎng)、交直流電磁兼容，以及陰極保護(hù)等問(wèn)題服務(wù)，具有多種組件高度集成以及多功能的通用軟件工具，能夠計(jì)算并分析各種接地系統(tǒng)參數(shù)，如地表電位、接觸電壓、跨步電壓、接地阻抗、故障電流分布，在電力系統(tǒng)中用途十分廣泛［2－3］。

其中，發(fā)電廠接地網(wǎng)設(shè)計(jì)中用到的MALZ模塊是頻域接地分析模塊，通過(guò)其仿真，可得到如下數(shù)據(jù)［4］：（1）空間磁場(chǎng)分布；（2）導(dǎo)體與土壤電位分布，包括觀測(cè)范圍內(nèi)各點(diǎn)的接觸電壓和跨步電壓分布情況；（3）各段導(dǎo)體中電流大小及方向的分布。

2 主接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)及其安全性能評(píng)估

2.1 全廠接地網(wǎng)的布置

一個(gè)安全的接地系統(tǒng)，除了需要保證設(shè)備良好接地外，還應(yīng)滿(mǎn)足人體耐受的接觸電壓和跨步電壓的要求。

由于發(fā)電廠的接地網(wǎng)面積較大，當(dāng)發(fā)生接地短路時(shí)，接地網(wǎng)的阻抗比例增大，進(jìn)行接地系統(tǒng)分析時(shí)，應(yīng)考慮接地網(wǎng)的阻抗特性，國(guó)內(nèi)常規(guī)的手算法無(wú)法計(jì)算，需借助強(qiáng)大的計(jì)算軟件進(jìn)行分析。CDEGS軟件的MALZ模塊可以準(zhǔn)確模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)土壤中大型的金屬接地網(wǎng)。

為了分析發(fā)電廠全廠范圍內(nèi)接地系統(tǒng)的安全性，需要首先建立發(fā)電廠全廠接地系統(tǒng)的3D模型。圖1為整個(gè)發(fā)電廠接地系統(tǒng)的3D圖。

廠內(nèi)高、中、低壓系統(tǒng)分別發(fā)生接地故障時(shí)，中壓系統(tǒng)為高阻接地系統(tǒng)，只有很小的短路故障電流，低壓系統(tǒng)為直接接地系統(tǒng)，短路電流較大，但僅在接地網(wǎng)及變壓器接地中性點(diǎn)之間形成環(huán)流，對(duì)于地電位升、接觸電壓、跨步電壓影響較小。由于高壓系統(tǒng)的故障電流有兩個(gè)來(lái)源，一部分來(lái)自于發(fā)電機(jī)，另一部分來(lái)自于系統(tǒng)側(cè)，來(lái)自于發(fā)電機(jī)的短路電流經(jīng)主變壓器的中性點(diǎn)和地網(wǎng)形成環(huán)流，因此真正引起危險(xiǎn)的是來(lái)自于經(jīng)過(guò)分流的系統(tǒng)側(cè)入地電流。由于危險(xiǎn)的入地電流發(fā)生于升壓站側(cè)，考慮接地網(wǎng)導(dǎo)體阻抗后，升壓站及變壓器區(qū)域最接近于故障點(diǎn)，此處應(yīng)設(shè)置較密的水平接地導(dǎo)體。

圖1 發(fā)電廠接地系統(tǒng)3D布置圖

2.2 高壓系統(tǒng)短路電流的分布及入地電流的計(jì)算

電廠高壓側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)，短路電流分布示意圖如圖2所示。

圖2 接地故障接線(xiàn)示意圖

根據(jù)GB50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算入地電流公式為：

式中，Df為整個(gè)故障時(shí)間內(nèi)的衰減系數(shù)。

Ig的計(jì)算分為廠內(nèi)和場(chǎng)外故障兩種情況，廠內(nèi)故障時(shí)：

式中，Imax為最大故障電流有效值（kA）；In為流經(jīng)廠內(nèi)設(shè)備中性點(diǎn)的電流（kA）；Sf1、Sf2為廠內(nèi)外發(fā)生故障時(shí)的分流系數(shù)［5］。

由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)算法中，計(jì)算入地電流時(shí)，直接將變壓器中性點(diǎn)的環(huán)流減去，這樣會(huì)使接觸電壓和跨步電壓的計(jì)算值偏小。

以上述發(fā)電廠工程為例，廠內(nèi)最大接地故障電流為49.5kA，變壓器中性點(diǎn)環(huán)流為11kA，線(xiàn)路分流系數(shù)為0.68，利用CDEGS軟件的MALZ模塊的安全評(píng)估結(jié)果如下：

（1）不考慮變壓器環(huán)流，入地電流為：

軟件計(jì)算后：最大接觸電壓1 604.37V，最大跨步電壓為250.277V。

（2）考慮變壓器環(huán)流，在 MALZ模塊中，分別輸入兩個(gè)激勵(lì)，一個(gè)為升壓站區(qū)域流入地網(wǎng)的電流IFS＝Ig＋I(xiàn)n＝26.18＋11＝37.18kA，另一個(gè)為變壓器中性點(diǎn)區(qū)域流出地網(wǎng)的電流It0＝11kA，軟件計(jì)算后：最大接觸電壓1 653.701V，最大跨步電壓為275.574V。

由此可見(jiàn)，計(jì)入變壓器中性點(diǎn)環(huán)流后，同樣一個(gè)地網(wǎng)的接觸電壓和跨步電壓值都較高，因此，考慮變壓器環(huán)流后設(shè)計(jì)的地網(wǎng)會(huì)更加安全。

2.3 接地系統(tǒng)安全性評(píng)估

基于IEEE80的標(biāo)準(zhǔn)，接觸電壓及跨步電壓安全值依據(jù)以下參數(shù)計(jì)算得出：方法標(biāo)準(zhǔn) ANSI／IEEE Standard 80，人體重50kg，人體電阻值1 000Ω，X／R比值30，故障清除時(shí)間0.5s，表層土壤電阻率508.6Ω·m（按干季土壤結(jié)構(gòu)確定）。當(dāng)升壓站內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)，50kg人體最高耐受接觸電壓值僅為273.5V，而全廠最高接觸電壓值達(dá)到了1 653.701V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于安全限值，全廠接觸電壓分布如圖3所示。

圖3 全廠接觸電壓分布圖

由圖3可見(jiàn)，發(fā)生危險(xiǎn)的最高接觸電壓的位置主要集中于升壓站邊緣位置。此時(shí)接地系統(tǒng)是不安全的，需要優(yōu)化接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)。優(yōu)化途徑有兩種，一是可以在高危險(xiǎn)區(qū)域增加水平接地導(dǎo)體和垂直接地棒；二是鋪設(shè)高阻地面，提高人體的耐受電壓。

進(jìn)一步優(yōu)化接地網(wǎng)的布置，并在土壤表層鋪設(shè)了電阻率為8 500Ω·m、厚度為15mm的碎石后，電位差安全限值提高，接觸電壓和跨步電壓均滿(mǎn)足接地網(wǎng)的安全性能要求，即最終設(shè)計(jì)的優(yōu)化地網(wǎng)為安全地網(wǎng)。具體仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 接地網(wǎng)電位差及安全限定值

3 結(jié)語(yǔ)

國(guó)外發(fā)電廠工程的業(yè)主對(duì)于接地網(wǎng)的安全性能要求較高，應(yīng)用CDEGS軟件進(jìn)行接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)及安全性評(píng)估，容易通過(guò)業(yè)主工程師審查。

采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)涉外發(fā)電廠工程接地系統(tǒng)的步驟可概括為以下3步：（1）全廠主接地網(wǎng)的初始布置；（2）接地網(wǎng)入地電流的計(jì)算；（3）對(duì)初始接地網(wǎng)進(jìn)行安全性能評(píng)估，如不滿(mǎn)足要求，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，直至滿(mǎn)足電壓安全限值為止。

［1］周建，路平，王鋒，等.采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)發(fā)電廠升壓站接地網(wǎng)的研究［J］.華東電力，2010，38（8）：1251－1254.

［2］徐華，李思南.利用CDEGS軟件診斷接地網(wǎng)聯(lián)通狀態(tài)［J］.浙江電力，2008，30（6）：33－36.

［3］牛曉民.電力系統(tǒng)接地分析軟件CDEGS簡(jiǎn)介［J］.華北電力技術(shù)，2004，34（12）：29－31.

［4］張大寧，劉冉，蔡靜，等.變電站接地網(wǎng)缺陷診斷系統(tǒng)［J］.東北電力技術(shù)，2014（2）：54－57.

［5］IEEE Std80—2000 IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding［S］.