越南VAN CHAN電站接地系統(tǒng)采用IEEE指南的設(shè)計(jì)分析

陳志仙

（福建安瀾水電勘察設(shè)計(jì)院有限公司，福建 龍巖 364000）

0 引言

越南VAN CHAN（文振）電站位于越南西北部的安沛省，是一座裝機(jī)3×19 000 kW引水式電站，電氣主接線為三組一機(jī)一變的單元接線，110 kV出線兩回，我院承接了該電站施工階段的水機(jī)、電氣專業(yè)設(shè)計(jì)。

電站的水工建筑物設(shè)計(jì)方為越南國家第一電力咨詢有限公司，該電站的水工建筑物設(shè)計(jì)方案較為復(fù)雜，主副廠房分為6層，分別從106.90 m高程的蝸殼層至140.00 m高程的辦公室，升壓站位于發(fā)電廠房上游側(cè)約105 m處，在狹窄的河谷里，廠房尾水渠連接下游河道，河岸兩側(cè)為小山頭。

接地的目的是為保證電氣設(shè)備運(yùn)行和人身的安全，發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流能釋放到大地而不使設(shè)備的絕緣和電流電壓承受能力超過額定值，保證設(shè)備的可靠運(yùn)行；接地故障時(shí)工作人員在故障點(diǎn)附近免受故障電流引起的跨步電壓以及接觸電壓對(duì)人身的傷害。具體到VAN CHAN水電站的接地系統(tǒng)滿足以下兩方面的技術(shù)要求：

（1）合理敷設(shè)水電站整體接地網(wǎng)，滿足招標(biāo)書的接地電阻R＜0.5 Ω要求。

（2）電站的接地網(wǎng)滿足跨步電壓和接觸電壓的要求，接地做法和計(jì)算方法采用國際接地標(biāo)準(zhǔn)。

1 接地系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)方案

VAN CHAN電站的樞紐布置，總體分為110 kV升壓站和廠房上游交通道、電站廠房以及尾水建筑3部分。水電站的接地網(wǎng)分自然接地體和人工接地體兩部分，為滿足電站接地電阻的要求，設(shè)計(jì)首先考慮充分利用自然接地體，電站廠房的土建結(jié)構(gòu)中有大面積的鋼筋混凝土和金屬機(jī)構(gòu)，包括主副廠房各層和廠房水下的鋼筋網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)柱體內(nèi)的垂直主筋、引水系統(tǒng)的壓力鋼管、尾水金屬閘槽，尾水渠底的鋼筋網(wǎng)等，這些緊密連接的鋼筋網(wǎng)格對(duì)降低接地電阻、滿足接觸電壓和跨步電壓起著很重要的作用。將這些有效的自然接地體可靠焊接，利用排架柱內(nèi)垂直主筋把廠房屋面板及各層樓板以及水下基礎(chǔ)鋼筋網(wǎng)格連接起來，整個(gè)接地系統(tǒng)形成一個(gè)籠型箱體，構(gòu)成良好的電氣通路，可以有效降低接地電阻，同時(shí)起到散流和均衡接地體電位的作用。本電站的接地網(wǎng)有水下接地網(wǎng)鋼筋面積S1=41.85 m×58 m=2 427 m2，尾水渠鋼筋網(wǎng)面積S2=25 m×60 m=1 500 m2，升壓站人工均壓帶面積S3=52 m×73 m=3 796 m2，如圖1所示。

圖1 電站接地系統(tǒng)圖

2 接地電阻的初步計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘探資料顯示，升壓站的表層土壤為土夾礫石，多次實(shí)測的升壓站表層土壤電阻率約1 050 Ω·m，廠房水下鋼筋混凝土的電阻率約58.5 Ω·m。

涉外工程的設(shè)計(jì)慣例按照國際標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行，本電站接地系統(tǒng)主要遵守國際電子電工協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（IEEE），主要參考IEEE Std 80-2000《交流變電站接地安全指南》(以下簡稱IEEE Std 80)標(biāo)準(zhǔn)和IEEE Std 665-1995（R2001）《IEEE發(fā)電站接地指南》(以下簡稱IEEE Std 665)，IEEE Std 665電站接地指南與IEEE Std 80的標(biāo)準(zhǔn)基本相通，增加了電站廠房建筑物本體的接地說明，但在驗(yàn)證接地安全上還是采用電站廠房外的變電站的部分來驗(yàn)證，（IEEE Std 665標(biāo)準(zhǔn)已于2011年已經(jīng)撤銷，但在電站建設(shè)期還在采用，IEEE Std 80現(xiàn)已使用2013版）。

根據(jù)電站初步設(shè)計(jì)的接地系統(tǒng)（圖1），由IEEE Std 80式（50）和IEEE Std 665式（1）的復(fù)合地網(wǎng)簡易公式初步計(jì)算有：

（1）廠房水下混凝土內(nèi)敷設(shè)的接地網(wǎng)S1尺寸為2 427 m2，電 阻 率ρ=58.5 Ω·m，則 有：

（2）廠房尾水底板下敷設(shè)的人工接地網(wǎng)S2尺寸為1 500 m2，ρ=58.5 Ω·m，則有：

（3）升壓站的人工接地網(wǎng)S3面積3 796 m2，升 壓 站 按 單 一 土 壤 模 型，ρ=1 050 Ω·m，

3個(gè)部分的互聯(lián)接地網(wǎng)為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，由于各接地極間的距離相對(duì)較近，考慮各接地網(wǎng)間的相互屏蔽效應(yīng)，計(jì)算總的電站的接地電阻有：R∑=R1∥R2∥R3=0.287 Ω＜0.5 Ω，初步計(jì)算3部分組成的接地網(wǎng)能滿足接地電阻的要求。

3 建設(shè)方對(duì)接地系統(tǒng)的審查意見

在接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案提交審查的過程中，越南國家第一電力咨詢公司不同意廠房部分的接地設(shè)計(jì)方案，他們認(rèn)為直接利用廠房內(nèi)土建結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋網(wǎng)格作為接地網(wǎng)，當(dāng)發(fā)生雷電沖擊或者電站內(nèi)設(shè)備發(fā)生接地故障時(shí)，接地干線將雷電流或者入地故障電流分流至鋼筋網(wǎng)格時(shí)，入地電流峰值流經(jīng)土建結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋網(wǎng)格，可能引起鋼筋過熱形變，影響鋼筋的受力強(qiáng)度，使廠房結(jié)構(gòu)的安全受到威脅，必須敷設(shè)獨(dú)立的接地網(wǎng)格，與廠房樓板的鋼筋網(wǎng)格分開。這與國內(nèi)大部分包括大型水電站的接地系統(tǒng)利用廠房結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)做均壓帶的常規(guī)做法不同。

查閱IEEE Std 80《交流變電站接地安全指南》9.4條款中說明：“頻繁的交叉連接的地網(wǎng)，他們的主要作用是保證地面電位的適當(dāng)控制。交叉連接使故障電流有多條穩(wěn)定可靠的入地路徑、減小地網(wǎng)本身電位降和當(dāng)某一導(dǎo)體失效的情況下提供一種冗余措施也是有用的”。而IEEE Std 665《IEEE發(fā)電站接地指南》的5.2.2條說明如下： “對(duì)待建筑內(nèi)部混凝土地板表面的處理存在著不同的設(shè)計(jì)理念，一種觀點(diǎn)認(rèn)為有必要在混凝土內(nèi)提供一個(gè)獨(dú)立的接地網(wǎng)格，而另一種觀點(diǎn)認(rèn)為：鑒于建筑內(nèi)緊密的鋼筋網(wǎng)格和眾多連接到鋼筋網(wǎng)格的鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，這些混凝土板內(nèi)的鋼筋網(wǎng)格可以作為那些需要接地設(shè)備的唯一接地導(dǎo)體，指南認(rèn)為根據(jù)跨步電壓和接觸電壓設(shè)計(jì)的布置于混凝土板內(nèi)的獨(dú)立接地網(wǎng)格是不需要的”。在本接地指南中的5.6.7.3條款中也明確說明“帶有金屬結(jié)構(gòu)框架的建筑物通過高處安裝空氣接閃端子和底部與接地系統(tǒng)連接而被保護(hù)，不管怎樣，應(yīng)該考慮有多個(gè)屋外的向下引接導(dǎo)體，為建筑物外部的閃電提供路徑。在金屬結(jié)構(gòu)作為防雷系統(tǒng)主要導(dǎo)體的情況下，鋼部件連接必須形成電通路”。以上條款都說明了利用緊密連接的鋼筋網(wǎng)格對(duì)電站的接觸電壓和跨步電壓的安全是最有利的措施，可以利用混凝土鋼筋網(wǎng)和金屬結(jié)構(gòu)等自然接地體形成接地網(wǎng)。

但在該接地指南的5.7.4條款有一條附加說明：“廣泛利用混凝土基礎(chǔ)和底座中的鋼筋，這類建筑的結(jié)構(gòu)提供了現(xiàn)成的接地電極供應(yīng)……為了使用鋼筋作為地網(wǎng)的一部分，應(yīng)在鋼筋與鋼結(jié)構(gòu)之間建立有效的金屬連接，當(dāng)鋼筋作為接地網(wǎng)的一部分連接時(shí)，應(yīng)認(rèn)識(shí)到高接地電流可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土造成損壞的風(fēng)險(xiǎn)?！憋@然專家們根據(jù)此條款不同意利用廠房混凝土鋼筋網(wǎng)作為接地網(wǎng)，提出了如果要利用鋼筋混凝土構(gòu)件的鋼筋作接地體時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際上的雷電流和短路故障入地電流對(duì)所利用的鋼筋熱穩(wěn)定、強(qiáng)度和形變進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)后的數(shù)據(jù)如果滿足受力要求方能采用，否則接地干線宜專門敷設(shè)，并同意敷設(shè)的廠房人工接地網(wǎng)與尾水渠鋼筋網(wǎng)格和壓力鋼管連接。

由于施工現(xiàn)場模擬短路電流對(duì)鋼筋強(qiáng)度等因素的影響有難度，最終按照建設(shè)方和審查機(jī)構(gòu)的要求，重新設(shè)置廠房人工接地網(wǎng)。

4 接地系統(tǒng)的修正設(shè)計(jì)

IEEE Std 665《IEEE發(fā)電站接地指南》5.2.11條文中說明：“由于利用廠房內(nèi)的鋼筋網(wǎng)，作為接地網(wǎng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的跨步電壓和接觸電壓，在建筑物內(nèi)部，不是人員安全須考慮的因素。主站建筑物下面的接地網(wǎng)通常設(shè)計(jì)有一定的間距，為接地網(wǎng)引上提供了足夠數(shù)量的連接點(diǎn)，這些間距不是由跨步電壓和接觸電壓來決定的?！币簿褪钦f本來廠房地面有足夠的根據(jù)樓板各種荷載和自重情況敷設(shè)的緊密連接的鋼筋網(wǎng)格，跨步電壓和接觸電壓都不是廠房內(nèi)需要考慮的因素。VAN CHAN電站不能利用廠房內(nèi)的鋼筋網(wǎng)格，因此廠房部分接地網(wǎng)需要設(shè)計(jì)同時(shí)滿足接地電阻和均衡電壓的鋼筋網(wǎng)格。

我們知道，接地電阻主要受土壤電阻率和接地網(wǎng)面積兩個(gè)因素決定大小，其中接地網(wǎng)面積是對(duì)降低電網(wǎng)總電阻影響最大的變量，由于廠房基礎(chǔ)的水下接地網(wǎng)不能利用，在整個(gè)電站的土壤電阻率暫時(shí)不改變的情況下，增加其他接地網(wǎng)的面積是比較有效的降低整體接地電阻的措施。

修正接地設(shè)計(jì)方案的主要內(nèi)容是敷設(shè)廠房的人工均壓帶和增加外延的水下接地網(wǎng)，考慮銅導(dǎo)體具有電阻小、導(dǎo)電性能好，熱穩(wěn)定性能好，同時(shí)耐腐蝕能力也強(qiáng)的特性，可以確保接地網(wǎng)多年使用的完整性，因此整個(gè)電站的接地系統(tǒng)采用扁銅作為各接地網(wǎng)的連接干線。

4.1 廠房內(nèi)接地網(wǎng)布置

廠房各層樓板敷設(shè)人工水平均壓網(wǎng)，廠房土建設(shè)計(jì)樓板有700 mm厚度，在主機(jī)房各層和副廠房內(nèi)的高壓開關(guān)室、低壓配電室、廠變、勵(lì)磁變室、中控室等各層樓板的混凝土內(nèi)設(shè)均壓接地網(wǎng)，采用60 mm×8 mm的扁銅沿每層樓板敷設(shè)均壓網(wǎng)孔，網(wǎng)孔尺寸約5.5 m×5.5 m，這對(duì)滿足跨步電壓和接觸電壓起到積極的作用，廠房四周梁柱內(nèi)敷設(shè)垂直的扁銅接地干線，把屋面板防雷帶和各層均壓網(wǎng)連接到尾水渠底板的鋼筋網(wǎng)格接地網(wǎng)，形成良好的電氣通路。一次設(shè)備的接地線采用銅絞線與均壓網(wǎng)連接，搭接處采用放熱焊接，保證了銅接地網(wǎng)的連接質(zhì)量。

同時(shí)在中控室和繼電保護(hù)機(jī)房內(nèi)，通過屏柜底部采用30 mm×4 mm銅排首尾連接形成等電位接地排。

4.2 外延水下接地網(wǎng)的布置

設(shè)計(jì)重新考慮在尾水渠外部與河床連接的水域做外延接地網(wǎng)，外延接地網(wǎng)沿著河床的寬度38 m往下游敷設(shè)160 m長度，用60 mm×6 mm鍍鋅扁鋼形成不等距接地網(wǎng)38 m×160 m的網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸約為19 m×20 m。在動(dòng)水下的鋼筋網(wǎng)設(shè)計(jì)固定樁與河床錨固，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處用Φ22螺紋鋼筋與接地網(wǎng)焊接長度150 mm后沿水流方向傾斜向河床深處鉆孔深1.3 m并用快凝水泥沙漿充填鉆孔固定。外延的水下接地網(wǎng)與尾水渠鋼筋網(wǎng)可靠連接兩處以上。

5 接地系統(tǒng)的修正驗(yàn)算

經(jīng)過以上措施后，對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行修正后的計(jì)算和檢驗(yàn)。按照敷設(shè)的外延水下接地網(wǎng)的面積為S4=38 m×160 m，后期補(bǔ)充測得電站河水的ρ=168.3 Ω·m，計(jì)算R4=0.950 Ω，查外延水下接地網(wǎng)的有效利用系數(shù)曲線得K4=1.008，則電站的總的接地電阻有：R∑=R1∥R2∥R4=0.327 Ω＜0.5 Ω。

按 照IEEE Std 80式（29.32）或 者IEEE Sd 665式（7.8），廠房內(nèi)的人體可承受的跨步電位差和接觸電位差（按照50 kg人體）

式中：ρs在廠房混凝土電阻率取ρs=12 000 Ω·m（在干燥的空氣中），在升壓站ρs=1 050 Ω·m，按單一的土壤電阻率考慮取Cs=1，故障持續(xù)時(shí)間ts=0.4 s得：

Etouch=3 484.83 V（廠房），Estep=13 389.08 V（廠房）

Etouch=472.29 V（升壓站），Estep=1338.91V（升壓站）

可見在廠房內(nèi)允許的接觸電壓和跨步電壓比在升壓站中高得多，廠房的樓板為混凝土地面，在干燥的空氣中相當(dāng)于鋪了高電阻率材料的地面，通常在廠房設(shè)備操作通道建成后操作地面都鋪有絕緣地墊，也是這個(gè)道理。

6 校驗(yàn)復(fù)合接地網(wǎng)的地電位升GPR

按照IEEE Std 665標(biāo)準(zhǔn)5.2.11條文的思路結(jié)合IEEE Std 80規(guī)程中16.4條文中步驟7的要求：必須驗(yàn)證接地電阻引起的地電位升GPR低于容許的接觸電壓，否則需要驗(yàn)算網(wǎng)孔電壓和跨步電壓，這也說明接觸電壓是接地設(shè)計(jì)的控制條件。針對(duì)廠房和升壓站做地電位升的驗(yàn)算。

根據(jù)越南第一電力咨詢公司提供的電網(wǎng)資料，升壓站的110 kV線路發(fā)生兩相短路接地時(shí)短路分流入地電流IG=2.250 kA最大,則按照簡易計(jì)算的接地電阻得出的地電位升：GPR=IG·Rg=2.250 0.332 Ω=747 V，小于廠房內(nèi)允許接觸電壓3 484.83 V，大于升壓站的允許接觸電壓472.29 V，因此升壓站需要驗(yàn)算修正后的接地網(wǎng)網(wǎng)孔電壓和跨步電壓，這也驗(yàn)證了IEEE Std 665標(biāo)準(zhǔn)5.2.11條文中說明廠房內(nèi)部接地網(wǎng)不是跨步電壓和接觸電壓的控制因素。

7 驗(yàn)算升壓站的跨步電壓和接觸電壓

IEEE Std 80標(biāo)準(zhǔn)和IEEE Std 665標(biāo)準(zhǔn)中都提出了網(wǎng)孔電壓這個(gè)概念，網(wǎng)孔電壓實(shí)際上表示接地網(wǎng)格內(nèi)可能存在的最大接觸電壓，設(shè)計(jì)需要根據(jù)升壓站的網(wǎng)孔電壓和跨步電壓對(duì)應(yīng)與允許接觸電壓和跨步電壓進(jìn)行比較。

根據(jù)IEEE Std 80式（80-93）有：

式中：D為平行導(dǎo)體之間的最大間距，取升壓站接地網(wǎng)的間隔5.6 m；

d為均壓帶等效直徑，為0.025 m；

h為網(wǎng)格深度，0.8 m。

為簡化計(jì)算，把修正后的升壓站接地網(wǎng)、尾水渠接地網(wǎng)以及河床3個(gè)子接地網(wǎng)等效為矩形網(wǎng)孔，其中nc、nd為1，總的接地網(wǎng)面積A為11 376 m2，接地網(wǎng)沿x方向的長度Lx=1 505 m，y方向的長度Ly=1 356 m，水平方向總的接地帶的長度Lc為2 861 m，接地網(wǎng)外圍長度Lp為816 m，升壓站的垂直接地棒每個(gè)長度Lr為2.5 m，總長度LR為385 m，接地網(wǎng)有垂直接地極Kii取1，將以上各參數(shù)帶入計(jì)算得各系 數(shù)na=7.01，nb=1.91，n=13.39，Kh=1.34，Ki=2.63，Km=0.508，Ks=0.306；LM=3 458.3，Ls=2 473最終計(jì)算出Em=912.70 V，Es=768.82 V,由計(jì)算結(jié)果看網(wǎng)孔電壓Em＞Etouch，跨步電壓Es＜Estep，驗(yàn)證了IEEE Std 80指南16.1條文中說的跨步電壓基本比網(wǎng)孔電壓危險(xiǎn)性小。

8 調(diào)整升壓站的接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接地系統(tǒng)在升壓站區(qū)域的接觸電勢(shì)不能滿足要求，在IEEE Std 80指南16.6中的補(bǔ)救措施包括降低接地電阻、加密接地網(wǎng)間距、減少故障電流及入地分流和凈值進(jìn)入受限制區(qū)。

由于整個(gè)電站的接地電阻和跨步電壓都滿足要求，只有升壓站的網(wǎng)孔電壓不能滿足允許的要求，因此用改變土壤電阻率來滿足要求在經(jīng)濟(jì)上不合適；同樣采用增加均壓帶的根數(shù)，加密均壓帶的間距對(duì)接觸電勢(shì)結(jié)構(gòu)系數(shù)Km的下降的作用也很小。我們知道網(wǎng)孔的最大接觸電勢(shì)發(fā)生在邊角網(wǎng)孔上，接地網(wǎng)邊角網(wǎng)孔布置到了升壓站四周的交通道路并延伸至升壓站的圍墻角外沿，參考我們國內(nèi)的常見的地面采用高電阻率的材料覆蓋的做法來減少均壓網(wǎng)邊孔接觸電勢(shì)（這個(gè)措施在新版的IEEE Std 80-2013的16.6-f）條款中也提到了）。

設(shè)計(jì)采用現(xiàn)場開挖廠房基礎(chǔ)留下的大量礫石，在升壓站的操作通道和交通道路上及圍墻外2 m寬處鋪設(shè)150 mm厚的碎石路面，升壓站圍墻內(nèi)在碎石地面上再澆筑40 mm厚的瀝青路面，利用高電阻率材料減少故障電流引起的對(duì)人身安全的威脅，同時(shí)瀝青路面對(duì)整個(gè)升壓站巡視通道的指示和運(yùn)維有利。

采用調(diào)整后的升壓站接地系統(tǒng)，相當(dāng)于雙層土壤模型，根據(jù)IEEE Std 80式27以及圖11得到Cs為0.82，鋪設(shè)了砂礫石和瀝青的表層電阻率ρs取5 000 Ω·m，則允許的接觸電壓大于Es網(wǎng)孔電勢(shì)912.70 V,至此，接地電阻、接觸電壓、跨步電壓均滿足了國際標(biāo)準(zhǔn)要求以及建設(shè)方的技術(shù)要求，經(jīng)過調(diào)整后的接地網(wǎng)系統(tǒng)圖紙和計(jì)算成果一同交付越南第一電力咨詢公司的專家再審查，順利通過了整體的設(shè)計(jì)方案。

9 結(jié)語

在涉外工程中，不但需要參照我們國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，更要注意涉外工程在國際上需要采納的標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)方的特殊的技術(shù)要求，本次對(duì)越南VAN CHAN電站的設(shè)計(jì)中使用IEEE Std 80和IEEE Std 665接地標(biāo)準(zhǔn)的條款和計(jì)算方法，獨(dú)立敷設(shè)廠房的人工均壓帶，在接地電阻滿足要求而網(wǎng)孔電勢(shì)不能符合要求的情況下，采用升壓站表層鋪設(shè)高電阻率的礫石，滿足了IEEE接地標(biāo)準(zhǔn)要求的網(wǎng)孔電壓和跨步電壓的安全要求，完成接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)。