山地風電場升壓站接地系統(tǒng)計算研究

胡琴 王勇 楊陽 古婷婷

摘要：近年來，隨著風力發(fā)電的飛速發(fā)展，作為山地風電場的設計核心部分，升壓站接地系統(tǒng)設計在項目生命周期中顯得尤為重要，本文以某山地風電場升壓站接地系統(tǒng)設計的實際工程為例，詳細進行山地風電場升壓站接地電阻、避雷針接地、升壓站接觸電勢允許值和跨步電壓允許值的計算，并提出了合理的改善措施。

關鍵詞：山地風電場；升壓站；接地系統(tǒng)計算

引言

山地風電場升壓站接地系統(tǒng)是保證人身安全、電氣設備和過電壓保護裝置正常工作的非常重要的技術措施，它不僅為站內各種電氣設備提供一個公共的參考地，而且在系統(tǒng)故障時，可將故障電流迅速泄流，降低升壓站的地電位升高，以保證人身和設備的安全。

當電力系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障時，如果接地電阻值比較大，就會造成地網局部電壓異常上升，除給運行人員的安全帶來威脅外，還可能因反擊使得二次設備的絕緣遭到破壞，甚至發(fā)生高壓串入控制室，使檢測或控制設備發(fā)生誤動或拒動而擴大事故。隨著風力發(fā)電滲透率增加，近年來不少山地風電場由于接地電阻未達到要求、因地網腐蝕和斷裂引起接地電阻增大而導致的事故，導致系統(tǒng)停運、設備損壞，不僅帶來巨大的經濟損失，還對人們的生產和生活造成更為嚴重的社會損失。

因此，山地風電場接地網接地電阻是否符合要求與電力安全生產密切相關，接地電阻值的大小是衡量接地系統(tǒng)的有效性、安全性以及鑒定接地系統(tǒng)是否符合規(guī)程要求的重要指標。

1.計算說明

1.1綜合說明

1.1.1雷電危害

對山地風電場升壓站危害最大的雷電有：直擊雷；傳導雷；感應雷。

1.1.2接地裝置

接地裝置的人工接地極包括水平敷設的接地極和垂直敷設的接地極，水平接地極可采用圓鋼、扁鋼；垂直接地極可采用角鋼、圓鋼或鋼管。其中垂直接地極作用如下：

1）接地系統(tǒng)縱深方向發(fā)展是提高高土壤電阻率地區(qū)及區(qū)域地網安全性的重要措施。

2）增加垂直接地極能有效地降低升壓站接地系統(tǒng)的接地電阻。

3）增設垂直接地極對于降低接觸電壓和跨步電壓具有非常顯著的作用。

4）垂直接地極能有效減小季節(jié)因素對地網安全性的影響。

1.1.3計算要點

因此根據(jù)雷電流特點：速度快、沖擊強、破壞大等，升壓站水平接地網增加垂直接地極主要作用為快速泄流及防止設備受沖擊，升壓站中垂直接地極的布置對整個升壓站的工頻接地電阻值的影響較?。ɑ究梢院雎裕?，水平接地網接地電阻主要取決于接地網面積，因此升壓站工頻接地電阻計算，根據(jù)升壓站的水平接地網計算得出。獨立避雷針的沖擊電阻計算，根據(jù)其布置的垂直接地極計算得出。

1.2工程概況

某山地風電場擬安裝42臺單機容量為2000kW風電機組，裝機容量為84MW，風電場內擬新建1座220kV升壓站，220kV升壓站最終規(guī)模按1×84MVA+1×50MVA設計，本期安裝一臺84MVA主變壓器。本風電場以1回220kV出線接至某220kV變電站，新建線路長度約13km，導線選用JL/G1A-400/50。

場區(qū)地層主要為第四系殘坡積土，下伏基巖為粉砂質泥巖、泥巖夾粉砂巖，根據(jù)場地各巖（土）層的工程地質條件，第四系殘坡積土不宜作為基礎持力層，其粉砂質泥巖、泥巖夾粉砂巖、中風化灰?guī)r等可作為基礎持力層。

1.3計算目的

根據(jù)《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》（GB/T 50065-2011）規(guī)定，所有要求接地或接零部分的電氣設備均應可靠地接地或接零。為保證人身和設備的安全，電氣設備宜接地，將升壓站內不同用途和各種不同電壓的電氣設備接地，應使用一個總的接地裝置，接地裝置的接地電阻應滿足其中接地電阻最小的電氣設備的要求。

根據(jù)GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》“4.2.1 保護接地要求的發(fā)電廠和變電站接地網的接地電阻，應符合下列要求：1）接地網的接地電阻宜符合下列公式的要求，且保護接地接至變電站接地網的站用變壓器的低壓側應采用TN系統(tǒng)，低壓電氣裝置應采用（含建筑物鋼筋的）保護總等電位聯(lián)結系統(tǒng)。”接地網的接地電阻值宜采用R≤2000/Ig[Ig為計算用經接地網入地的最大接地故障不對稱電流有效值（A）]，即可滿足運行需要。

根據(jù)GB50057-2010《建筑物防雷設計規(guī)范》“4.1第8條，獨立接閃桿、架空接閃線或架空接閃網應設獨立的接地裝置，每一引下線的沖擊接地電阻不宜大于10Ω?！北芾揍樀臎_擊電阻要求在10Ω以內，即可滿足運行需要。

當電氣設備發(fā)生碰殼故障，導線斷裂落地或線路絕緣擊穿而導致單相接地故障時，電流便經接地體或導線落地點呈半球形向大地散流，人觸及故障設備外殼或進入散流區(qū)域會發(fā)生接觸電壓或跨步電壓觸電，觸電傷害的結果與跨步電壓與接觸電壓的大小有直接關系。

因此根據(jù)GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》“4.2.2 確定發(fā)電廠和變電站接地網的型式和布置是，應符合下列要求：1、110kV及以上有效接地系統(tǒng)和6kV～35kV低電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地或同點兩相接地時，發(fā)電廠和變電站接地網的接觸電位和跨步電位差不應超過由下列公式計算所得的數(shù)值：”

1.4計算內容

根據(jù)升壓站所在區(qū)域的基礎土壤電阻率和回填土土壤電阻率，計算出升壓站復合接地網接地網未加措施時的接地電阻，為項目施工單位采取相應降阻措施提供參考。

根據(jù)《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》（GB/T 50065-2011）規(guī)定，設計接地網時，應驗算接觸電位差和跨步電位差的規(guī)定，進行升壓站接觸電位差和跨步電位差的驗算。

2. 基本資料

根據(jù)場址區(qū)基本地質條件，類比相同地質背景和巖性特征的其他工程巖、土物理力學試驗成果資料，參照《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021-2001（2009年版），提出場區(qū)各巖、土層物理力學參數(shù)及電阻率建議。

本工程升壓站所在區(qū)域地層巖性以粉砂質泥巖、泥巖夾粉砂巖、中風化灰?guī)r為主，升壓站接地網土壤具有兩層結構，接地網上層部分以黏土、砂質黏土、粘土巖夾灰?guī)r及硅質巖透鏡體為主，厚度H≈1m，ρu1取值為ρu1=800（W.m），下層部分以泥巖夾粉砂巖、中風化灰?guī)r為主ρl1取值為ρl1=3000（W.m）。

根據(jù)《電力工程電氣設計手冊（電氣一次部分）》P909表16-4“根據(jù)土壤性質決定的季節(jié)系數(shù)”，本次計算用季節(jié)系數(shù)j01取1.2，故：

ρu=j0×ρu1=1.2×800=960（W.m）

ρl=j0×ρl1=1.2×3000=3600（W.m）

3. 升壓站接地

3.1.計算過程

參照《水電站機電設計手冊（電氣一次）》P752，土壤具有兩層結構時，水平接地網的接地電阻值 計算為：

式中ρa2----具有兩層結構的土壤等值電阻率（W.m）

ρu、ρl------分別為上、下層的土壤電阻率（W.m）

SΣ------升壓站接地網的總敷設面積（117*78）9126m2（升壓站面積120×81）

K為系數(shù)，（常用工程取值0.5）.

參照NB/T35050-2015《水力發(fā)電廠接地設計技術導則》P70，圖A.0.2-2，當ρu<ρl時系數(shù)K的曲線。

視電阻率曲線常數(shù)b'從1米變化到100米，小值表示電阻率隨深度變化很快；大值表示變化緩慢。已知第一層的深度H≈1m。

b'≈3H=3

查詢得K=0.62

經過計算得：ρa2=1963.2（W.m）

Rw2=10.28Ω

3.2.結論

升壓站接地電阻為10.28Ω，根據(jù)GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》“4.2.1 保護接地要求的發(fā)電廠和變電站接地 網的接地電阻，應符合下列要求：1）接地網的接地電阻宜符合下列公式的要求，且保護接地接至變電站接地網的站用變壓器的低壓側應采用TN系統(tǒng)，低壓電氣裝置應采用（含建筑物鋼筋的）保護總等電位聯(lián)結系統(tǒng)?！?故需采取擴網、使用置換黏土及降阻劑等措施進行降阻接地網的接地電阻值宜采用R≤2000/Ig[Ig為計算用經接地網入地的最大接地故障不對稱電流有效值（A）]，即可滿足設計要求。

4. 避雷針接地

4.1.計算過程

根據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》（GB 50057-2010）P42，5.4.3“人工鋼質垂直接地體的長度宜為2.5m。其間距以及人工水平接地體的間距均宜為5m，當受地方限制時可適當減少?！敝饕菫榱藴p少相鄰接地體的屏蔽效應，垂直接地體間的距離及水平接地體間的距離一般為5m，大于5m最好。

人工接地體通常是由垂直埋設的棒形接地體和水平接地體組合而成，棒形接地體可以利用鋼管、槽鋼、角鋼等制成；水平接地體可以利用扁鋼、圓鋼等制成。

根據(jù)《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》P47頁，附錄A，均勻土壤中垂直接地極的接地電阻值計算公式，可以得出避雷針沖擊電阻指為：

式中：RC—使用降阻劑后垂直接地體的接地電阻（Ω），

=ρa2=1963.2（W.m）—土壤復合電阻率（Ω·m）；

—垂直接地體的長度為3×4=12（m）；

d—接地體等效直徑為0.03（m）。

等效直徑：

1.等邊角鋼：d=0.84b .不等邊角鋼：

避雷針環(huán)形水平接地極（-60×6），敷設深度>3m：

避雷針水平接地環(huán)周長D=2π×4.5=28.26m

水平接地體總長度L=D+20=48.26m

垂直接地極（L50×5），4根

l=4×3=12m

經過計算：

Rv=210.26Ω

4.2.結論

避雷針接地電阻為210.26Ω，根據(jù)GB50057-2010《建筑物防雷設計規(guī)范》“4.1第8條，獨立接閃桿、架空接閃線或架空接閃網應設獨立的接地裝置，每一引下線的沖擊接地電阻不宜大于10Ω?！惫市璨扇U網、使用置換黏土及降阻劑、增加垂直接地極根數(shù)等措施進行降阻，同時還可以將避雷針與主地網相連接使其接地電阻降至10Ω以內，但根據(jù)《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》“4.5.1第一條，發(fā)電廠和變電站配電裝置構架上避雷針（含懸掛避雷線的構架）的接地引下線應與接地網連接，并應在連接處加裝集中接地裝置。引下線與接地網的連接點至變壓器接地導體（線）與接地網連接點之間沿接地極的長度，不應小于15m”。

5. 接觸電位差及跨步電位差允許值計算

5.1最大接觸電位差允許值Ut計算

根據(jù)《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》（GB/T 50065-2011）P10頁，“4.2.2 確定發(fā)電廠和變電站接地網的型式和布置時，應符合下列要求：1、110kV及以上有效接地系統(tǒng)和6kV～35kV低電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地或同點兩相接地時，發(fā)電廠和變電站接地網的接觸電位差和跨步電位差不應超過由下列公式計算所得的數(shù)值?！?/p>

不等間距接地網最大接觸電位差允許值Ut可按下列公式計算：

式中： 為表層電阻率，風電場升壓站表層一般為混凝土地面，[根據(jù)NB/T35050-2015《水力發(fā)電廠接地設計技術導則》P86頁，表E.0.1（土壤和水的電阻率W.m）]可查，取 = 100（W.m）；

為表層衰減系數(shù)，通過查詢可得值為0.98；

b代表人腳的金屬圓盤的半徑b=0.25m；

k為不同電阻率土壤的反射系數(shù)k=0.81；

兩個相似、平行、相聚2nhs且置于土壤電阻率ρ的無限大土壤中的兩個圓盤之間的互阻（Ω）；

ρ為下層土壤電阻率，混凝土地面下層部分以黏土、砂質黏土、粘土巖夾灰?guī)r及硅質巖透鏡體為主，厚度H≈1m，因此ρ=ρu=960（W.m）

（r，z）代表以圓盤1的中心為坐標原點時，圓盤2上某點的極坐標。

ts接地故障電流持續(xù)時間，與接地裝置熱穩(wěn)定校驗的接地故障等效持續(xù)時間取相同ts值（s），根據(jù)NB/T35050-2015《水力發(fā)電廠接地設計技術導則》P105頁“7.2.1中1條，發(fā)電廠和變電站的繼電保護裝置配置有2套速動主保護、近接地后備保護、斷路器失靈保護和自動重合閘時，te應按te≥tm+tf+t0”。

其中：tm為主保護動作時間（s）；tf為斷路器失靈保護動作時間（s）；t0為斷路器開斷時間（s）

因此根據(jù)工程經驗te取值為0.5s～0.65s，本次計算ts=te=0.65s。

根據(jù)以上公式計算可得接地網最大接觸電位差允許值：

≈236.5V

5.2最大跨步電位差允許值US計算

根據(jù)《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》（GB/T 50065-2011）P10頁，“4.2.2 確定發(fā)電廠和變電站接地網的型式和布置時，應符合下列要求：1、110kV及以上有效接地系統(tǒng)和6kV～35kV低電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地或同點兩相接地時，發(fā)電廠和變電站接地網的接觸電位差和跨步電位差不應超過由下列公式計算所得的數(shù)值。”

不等間距接地網最大跨步電位差允許值US可按下列公式計算：

為表層電阻率，風電場升壓站表層一般為混凝土地面，[根據(jù)NB/T35050-2015《水力發(fā)電廠接地設計技術導則》P86頁，表E.0.1（土壤和水的電阻率W.m）]可查，取 = 100（W.m）；

為表層衰減系數(shù)，通過查詢可得值為0.98；

b代表人腳的金屬圓盤的半徑b=0.25m；

k為不同電阻率土壤的反射系數(shù)k=0.81；

兩個相似、平行、相聚2nhs且置于土壤電阻率ρ的無限大土壤中的兩個圓盤之間的互阻（Ω）；

ρ為下層土壤電阻率，混凝土地面下層部分以黏土、砂質黏土、粘土巖夾灰?guī)r及硅質巖透鏡體為主，厚度H≈1m，因此ρ=ρu=960（W.m）

（r，z）代表以圓盤1的中心為坐標原點時，圓盤2上某點的極坐標。

ts接地故障電流持續(xù)時間，與接地裝置熱穩(wěn)定校驗的接地故障等效持續(xù)時間取相同ts值（s），根據(jù)NB/T35050-2015《水力發(fā)電廠接地設計技術導則》P105頁“7.2.1中1條，發(fā)電廠和變電站的繼電保護裝置配置有2套速動主保護、近接地后備保護、斷路器失靈保護和自動重合閘時，te應按te≥tm+tf+t0”。

其中：tm為主保護動作時間（s）；tf為斷路器失靈保護動作時間（s）；t0為斷路器開斷時間（s）

因此根據(jù)工程經驗te取值為0.5s～0.65s，本次計算ts=te=0.65s。

根據(jù)以上公式計算可得接地網最大跨步電位差允許值為：

≈300.9V

5.3降低接觸電壓和跨步電壓的方法

（1）在一般情況下，根據(jù)GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》

“4.3.2第1條，人工接地網的外緣應閉合，外緣各角應做成圓弧形，圓弧形的半徑不宜小于均壓帶間距的1/2，接地網內應敷設水平均壓帶，接地網的埋設深度不宜小于0.8m”。均壓帶的距離一般為4～5m為宜。

（2）為降低接觸電壓和跨步電勢，要求水平接地體局部埋深不應小于1m（環(huán)形或成排布設水平接地體埋設于凍土層以下），并應鋪設5～8cm厚的瀝青混凝土層或不小于30cm厚的礫石層，其寬度超出接地裝置2m左右。

（3）采用“帽檐式”均壓帶，敷設兩條與接地網相連的“帽檐式”均壓帶能顯著降低接觸電壓和跨步電勢。

最大接觸電位差實際值及最大跨步電位差實際值以現(xiàn)場測量為準，應根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求，采取措施降低最大接觸電位差及最大跨步電位差，使其在最大接觸電位差允許值Ut及最大跨步電位差允許值US以內，滿足風電場升壓站運行要求。

6. 結束語

因山地風電場所處自然環(huán)境惡劣，為避免風電場因雷擊、短路等故障造成的損失，應重視山地風電場的接地系統(tǒng)設計，本文通過實際工程詳細進行山地風電場工程升壓站及風機基礎接地系統(tǒng)計算，并提出了積極有效的改善措施，為工程實際提供了借鑒思路及方法。

參考文獻

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[2]《電氣裝置安裝工程接地施工及驗收規(guī)范》 GB50169-2016

[3]《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》 GB/T 50064-2014

[4]《巖土工程勘察規(guī)范》（2009年版）GB50021-2001

[5]《建筑物防雷設計規(guī)范》 GB50057-2010

[6]《水力發(fā)電廠接地設計技術導則》 NB/T35050-2015

[7]《電力工程電氣設計手冊（電氣一次部分）》1989.12

[8]《水電站機電設計手冊（電氣一次）》1982.11

（作者單位：中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司）