淺議大中型水電站接地電阻設計值

夏斌強，施經緯，范傳青，鄭智勇，馬 峰

（1.國網新源控股有限公司，北京市 100001；2.安徽績溪抽水蓄能有限公司，安徽省績溪縣 245300；3.長沙科智防雷工程有限公司，湖南省長沙市 410001）

1 前言

大中型水電站接地網面積很大，面積達到數萬平方米甚至幾十萬到百萬平方米。大型水電站入地短路電流的數值很高，往往達到10kA甚至更大。大中型水電站接地阻抗設計值往往是零點幾歐，其接地阻抗事實上是包含電抗分量的。但由于《水力發(fā)電廠接地設計導則》（NB/T 35050—2015）和《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》（GB/T 50065—2011）兩本規(guī)范都只規(guī)定了接地電阻的設計值，沒有規(guī)定接地阻抗的設計值。所以本文也參照以上兩本規(guī)范只討論接地電阻設計值。

《水力發(fā)電廠接地設計導則》（NB/T 35050—2015）第3章3.1.1和《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》（GB/T 50065—2011）第3.1節(jié)的規(guī)定，不同用途和不同額定電壓的電氣設備，除另有規(guī)定者外，應使用一個總的接地系統(tǒng)，接地電阻應符合其中最小值的要求。也就是說大中型水電站應采取聯(lián)合接地的方式，即各種不同功能的接地，如系統(tǒng)接地、保護接地、防雷接地、防靜電、信號接地、等電位接地網等共用一個主接地網，主接地網接地電阻設計值取各種功能接地的最小值。

2 接地電阻設計值的規(guī)程依據

依據《水力發(fā)電廠接地設計導則》（NB/T 35050—2015）條文說明4.1.3，水力發(fā)電廠接地網地電位升高直接與二次系統(tǒng)的安全性相關。系統(tǒng)發(fā)生接地故障時接地網中流動的電流，將在二次電纜的芯線—屏蔽層之間、或二次設備的信號線或電源線與地之間產生電位差。當此電位差超過二次電纜或二次設備絕緣的工頻耐受電壓時，二次電纜或設備將會發(fā)生絕緣破壞。因此，必須將極限電位升高控制在二次系統(tǒng)安全值之內。水電站接地電阻的最小值取決于二次系統(tǒng)對接地電阻的要求。

又依據《水力發(fā)電廠接地設計導則》（NB/T 35050—2015）條文說明4.1.3，一般的二次電纜2s 工頻耐受電壓較高（≥5kV）。二次設備，如綜合自動化設備，其工頻絕緣耐受電壓為2kV、1min。從安全出發(fā)，二次系統(tǒng)的絕緣耐受電壓可取2kV。

又依據《水力發(fā)電廠接地設計導則》（NB/T 35050—2015）條文說明4.1.3，二次系統(tǒng)在短路時承受的地電位升高，還決定于二次電纜的接地方式[1]。電纜屏蔽層單端接地時，電纜屏蔽層中沒有電流流過，接地故障時二次電纜芯線上的感應電位很小，二次電纜承受的電位差即為地電位升高。該電位差施加在二次電纜的絕緣上，因此地電位升高直接決定于二次電纜絕緣的交流耐壓及二次設備絕緣的交流耐壓值。當電纜的屏蔽層雙端接至接地網時，接地故障電流注入接地網會有部分電流從電纜的屏蔽層中流過，將在二次電纜的芯線上感應較高的電位，從而使作用在二次電纜的芯—屏蔽層電位差減小。對水力發(fā)電廠二次電纜的不同布置方式及不同接地故障點位置，清華大學通過大量的計算表明，雙端接地電纜上感應的芯—屏蔽層電位通常不到地網電位升的20%。甚至對于土壤電阻率為50Ωm左右，邊長大于100m 的接地網，即使在二次電纜屏蔽層接地點附近發(fā)生接地故障時，芯—屏蔽層電位小于地網電位升高的40%。目前，水力發(fā)電廠已實現保護在電氣裝置處就近設置水力發(fā)電廠內的二次電纜一般都較短，如果二次電纜的長度小于接地網邊長的一半，則在最嚴酷的條件下，芯—屏蔽層電位差也小于40%，甚至更小。因此采用二次電纜屏蔽層雙端接地，可以將地電位升高放寬到2kV/（40%）=5kV。采用二次電纜屏蔽層雙端接地的方式，即使短路時地電位升高達到5kV，但作用在二次電纜芯—屏蔽層之間和二次設備上的電位差只有2kV，滿足了二次系統(tǒng)安全的要求。

依據有關專家的研究，二次設備（綜合自動化設備內部芯片和電路板）的2s工頻絕緣耐受電壓為5kV。因此，大中型水力發(fā)電廠接地電阻是受到其二次電纜和二次裝置的絕緣耐受電壓的限制，二次電纜和二次裝置的最大絕緣耐受電壓為5kV。當與二次電纜平行一支銅質分流線，并且把二次電纜兩端接地時，可以抑制二次電纜芯與屏蔽層之間的電位差只有2kV。

基于本文前面敘述的原因，《水力發(fā)電廠接地設計導則》（NB/T 35050—2015）第4.1.1條規(guī)定了接地電阻的要求，有效接地系統(tǒng)的水力發(fā)電廠接地裝置的接地電阻宜符合式（1）要求：

式中：R——考慮到季節(jié)變化的最大接地電阻，Ω；

I——計算用的流經接地裝置的最大入地電流，A，有效值。

《水力發(fā)電廠接地設計導則》（NB/T 35050—2015）第4.1.3條，在高土壤電阻率地區(qū)或其他嚴重情況下，當接地裝置要求作到規(guī)定的接地電阻值在技術上難以實施、經濟上極不合理時，接地裝置電位可以放寬，以接地裝置電位（EW=IR）不超過5000V為宜。

《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》（GB/T 50065—2011）第4.2.1條也有幾乎相同的規(guī)定。兩個規(guī)程的意思就是說大中型水電站最大接地電阻不能高于5000/I。

那么，大中型水電站接地電阻設計目標值為：

3 科學客觀確定入地短路電流

那么要確定大中型水電站接地電阻，首先要科學確定入地短路電流的數值[2]。如安徽某電站，其輸出線路是500kV，華東調度2021年提供的單相接地短路電流為13.4kA，依據DL/T 621附錄B1計算入地短路電流，入地短路電流肯定小于最大單相接地短路電流。本文限于篇幅有限，不對入地短路電流的計算過程進程討論。當然考慮到電網未來的發(fā)展，規(guī)程允許單相接地短路電流稍微設當調大一些，即使調大一些，安徽某電站入地短路電流取13kA足夠。由湖南某公司出具的《安徽某電站接地設計復核計算》，一回入地短路電流為25.37kA，二回入地短路電流為27.19kA，這兩個數據是調度提供的單相短路接地電流的兩倍，顯然這兩個數據不科學。

在實際工作中，往往存在把單相短路接地電流當入地短路電流的情況。也有單位沒有通過與電網調度溝通，單方面把入地短路電流算得很大或過小的問題。依據文習山《三峽水利樞紐接地技術的研究》，三峽電站安裝26臺70萬kW的發(fā)電機組，總裝機容量為2240萬kW，三峽電站入地短路也只有33.3kA[3]。如華東某水電站裝機容量為85.5萬kW，輸出線路為220kV，此電站把入地短路電流以30kA來計算，這樣顯然是取大了，會造成接地網方面盲目投資，浪費國有資產。如東北某電站裝機容量為140萬kW，輸出線路為500kV，其入地短路電流按照4.7kA計算，顯然是取小了，取小的后果是可能造成極端情況下二次系統(tǒng)不穩(wěn)定。表1為華東各抽水蓄能電站最大入地短路電流的具體情況。

表1 華東各抽水蓄能電站最大入地短路電流情況Table 1 Max imum ground stort-circuit current of pumped storage power stations in East China

4 跨步電壓和接觸電壓安全值與二次裝置對地電位的關系

如果電站對地電位超過5000V，電站接地網接地電阻值到底行不行，如果不行的話，有哪些安全隱患？

有人認為只要跨步電壓和接觸電壓達標，電站對地電位超過5000V也是安全的。由《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》（GB/T 50065—2011）條文說明4.2.2，跨步電壓和接觸電壓安全值的計算是以人身安全即人體可以承受的最大電流來進行計算的?？绮诫妷号c接觸電壓值的大小是受對地電位與跨步系數及接觸系數的綜合影響。而影響接觸系數Kj與跨步系數Kk因素有很多，包含均壓帶根數、均壓帶導體直徑、接地網面積（長度、寬度）、接地網形狀及接地網網孔數等。綜上所述，當最大跨步電位差及最大接觸電位差不大于人體可承受限制時接地裝置的對地電位滿足人身安全的要求，但不一定能滿足二次設備穩(wěn)定運行的要求（EW≤5000V）。

5 與二次電纜平行敷設分流線的作用

有人說只要與二次電纜平行鋪設一支銅質分流線，并把二次電纜屏蔽層兩端就近接主接地網，就可以抑制二次電纜和二次設備的對地電位低于5000V。這個觀點也是錯誤的。由《水力發(fā)電廠接地設計導則》（NB/T 35050—2015）條文說明4.1.3可以看出，與二次電纜平行鋪設一支銅質分流線，把二次電纜兩端接地只能抑制5000V以內的對地電位。當對地電位超過5000V時，二次電纜芯與屏蔽層之間的電位會超過2kV，也就超過二次電纜的最大耐電壓2000V。

《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》（GB/T 50065—2011）條文說明4.2.1也有類似的說明。

與二次電纜平行敷設分流線，并把二次電纜兩端接地，只能抑制二次電纜5000V以內的對地電位，使二次電纜芯—屏蔽層的電位小于2000V，對于超過5000V的對地電位，其二次電纜芯—屏蔽層的電位大于2000V。二次電纜平行敷設的銅質分流線更加不能抑制二次裝置內部芯片與電路板的對地位。

6 接地電阻超過5000/I的危害

在實際工程中，如果水電站接地電阻大于5000/I，該怎么辦呢？有人說依據《水力發(fā)電廠接地設計導則》（NB/T 35050—2015）第4.1.3條第5款：必要時，經專門計算，且采取的措施可確保人身和設備安全可靠時，接地網對地電位高可超過5000V。規(guī)程里的意思就是說要有措施保證人身和設備安全可靠。但只是跨步電壓和接觸電壓合格，再加以二次電纜平行安裝銅質分流線，把二次電纜接地兩端接地顯然是不夠的。到底該怎么做可以保證二次電纜和二次設備的安全，剝除一定長度的二次電纜屏蔽層也只能限制二次電纜的對地電位不超過2000V。特別是怎樣保證二次系統(tǒng)二次裝置里面集成電路版和芯片的安全，NB/T 35050—2015和GB/T 50065—2011都沒有明確的規(guī)定。保證二次系統(tǒng)二次裝置里面集成電路板和芯片的安全，這個問題在全國電力系統(tǒng)都是一個科研難題，并且沒有技術規(guī)程可以遵循，筆者在國內也暫時沒有發(fā)現成功案例，在沒有成功案例可以參照情況下，要研究出具體方案來解決這個問題其科研經費和工程實施的造價也可能是一個天文數字。當然，成本高難度大并不意味著一定沒有辦法解決，起碼從理論上講總是有具體辦法限制二次系統(tǒng)二次裝置里面集成電路板和芯片的對地電位不超過5000V。

有人說有電站的接地電阻大于5000/I，電站運行了很多年，但電站二次系統(tǒng)沒有發(fā)生過與接地有關的故障，所以沒有必要投資解決接地電阻偏大的問題。在現代電力系統(tǒng)里面發(fā)生單相短路接地故障本來是一個小概率的事件，但沒有發(fā)生單相短路接地故障并不能保證以后不發(fā)生單相短路接地故障。接地電阻設計值不大于5000/I，本來就保證即使發(fā)生單相短路接地故障，并且也假設繼電保護失靈的極端情況下保證二次系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性萬無一失。如果大中型水電站接地電阻大于5000/I，電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路并且繼電保護失靈，那么二次系統(tǒng)二次裝置會出現死機或重啟等故障現象。

7 結論

大中型水電站接地網設計時，應盡量利用現有水庫或河道擴大水下接地網面積，使接地電阻不大于5000/I。如抽水蓄能電站設計地網時，盡可能利用上庫水體和下庫水體及周邊2km以內的低土壤電阻率區(qū)域實施接地網。山西西龍池抽水蓄能電站，其開關站靠近下庫，但為了最大限度降低接地電阻，仍然在上庫鋪滿了高規(guī)格網格接地網。又如蒲石河抽水蓄能電站，雖然開關W站與上庫相距較遠，但也在上庫設計了高規(guī)格的網格地網。以安徽某抽水蓄能電站為例，設計地網時只是利用了下庫及下庫周邊敷設了35萬m2的接地網，也設計了上下庫地網通過輸水管互聯(lián)互通，此電站完全可以利用上庫30萬m2的水體敷設地網，使此電站接地電阻再降低一個層次。又如華東某大型水電站，大壩上游水體面積遠遠大于抽水蓄能電站上下庫面積之和，有數百萬平方米的水庫可以實施地網，完全有條件使地網接地電阻降到2000/I以內。又如華北某抽水蓄能電站，其下庫為河道筑壩而成，設計時只利用了下庫面積的三分之一，即20萬m2敷設地網，下庫還有40萬m2的水體沒有敷設地網，如果完全利用下庫面積敷設地網，此電站接地電阻也可以達到2000/I以內。

本文也呼吁國內接地專家多開展一些接地電阻大于5000/I的前提條件下，有哪些切實可行的措施可以限制二次系統(tǒng)二次裝置里面集成電路板和芯片的對地電位不超過5000V。