水電站接地系統(tǒng)

孟 然

（中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司機(jī)電安裝事業(yè)部，云南 昆明 650032）

1 接地的意義

接地的目的是確保系統(tǒng)或者設(shè)備在出現(xiàn)故障的時(shí)候?qū)⒌仉妷貉杆俳档偷饺怂艹惺艿陌踩妷悍秶鷥?nèi)，同時(shí)避免高壓對(duì)電網(wǎng)二次設(shè)備的傷害，保障電氣系統(tǒng)和電氣設(shè)備的正常運(yùn)行及人身安全。因此，電站的安全運(yùn)行離不開良好的接地設(shè)計(jì)與運(yùn)行。

2 接地的基本原理

2.1 接地的概念

在系統(tǒng)、裝置或設(shè)備的給定點(diǎn)與局部地之間做電連接稱為接地。

2.2 接地的作用

2.2.1 保證人身安全

為了保證人體的安全，在正常的情況下電站對(duì)不帶電的電氣設(shè)備和裝置也需要對(duì)其進(jìn)行接地處理。根據(jù)之前我們所學(xué)的知識(shí)可知電壓一定時(shí)電流的大小與電阻成反比，因此接地極的電阻越小，流過(guò)接地極的電流就越大，由分流原理可知此時(shí)流過(guò)人體的電流就越小。因此我們可以推理得出當(dāng)接地電阻很小時(shí)，流經(jīng)人體的電流會(huì)減小到接近于零，人即使觸碰到也可避免觸電。因此，在任何情況下，設(shè)計(jì)都應(yīng)確保接地電阻在規(guī)定值的范圍以內(nèi)。

2.2.2 保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行

在電力系統(tǒng)中通常采用的接地方式都是中性點(diǎn)接地，所以系統(tǒng)中性點(diǎn)與地之間等電位。若系統(tǒng)中性點(diǎn)不進(jìn)行接地處理，當(dāng)其中的一相發(fā)生短路或者接地時(shí)，另外兩相的電壓將升高至線電壓。而對(duì)于中性點(diǎn)進(jìn)行接地處理的系統(tǒng)，其工作電壓不變。把系統(tǒng)的中性點(diǎn)進(jìn)行接地處理可以使繼電保護(hù)的可靠性得到保證。在通信系統(tǒng)中，為防止噪聲干擾，保證通信設(shè)備的工作正常，直流電源基本都是采用正接地的接地方式。

2.3 電氣接地的種類

按照工作目的不同，電氣接地一般可以分為保護(hù)接地、工作接地和防雷接地。

2.3.1 保護(hù)接地

為電氣安全，將系統(tǒng)、裝置或設(shè)備的一點(diǎn)或多點(diǎn)接地稱為保護(hù)接地。正常工作情況下，設(shè)備的外殼是沒(méi)有電的，但當(dāng)線路發(fā)生故障或非絕緣體（如金屬外殼）短路時(shí)，這些原本不導(dǎo)電的地方就會(huì)變成帶電體，若這些部分沒(méi)有進(jìn)行接地處理，就會(huì)在大地和這些部分之間形成一個(gè)較高的電位差，此時(shí)如果人接觸到這些帶電部分就會(huì)在人體內(nèi)形成一個(gè)電流通道，嚴(yán)重威脅人的安全。因此，必須對(duì)帶金屬外殼的設(shè)備和大地之間做良好的金屬連接，使外殼與地面為等電位。

(1)屏蔽接地

屏蔽接地是為了防止電磁造成干擾，在屏蔽體與干擾源或地的金屬外殼之間所做的可靠的電氣連接。將會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)的設(shè)備外殼進(jìn)行屏蔽并做接地處理，可以消除電磁場(chǎng)帶來(lái)的的危害，其屬于保護(hù)接地。

(2)防靜電接地

防靜電接地是指為防止對(duì)易燃油、天燃?xì)赓A罐和管道等的危險(xiǎn)作用而設(shè)的接地。規(guī)程中要求其接地電阻一般在10 Ω以內(nèi)；防靜電接地也屬于保護(hù)接地。

2.3.2 工作接地

工作接地是在電力系統(tǒng)電氣裝置中，為了系統(tǒng)運(yùn)行的需要而設(shè)置的接地，如中性點(diǎn)接地。其主要作用是保證低壓系統(tǒng)電位的穩(wěn)定性，降低由于單相接地，高低壓短接等原因產(chǎn)生過(guò)電壓的危險(xiǎn)性。

2.3.3 防雷接地

防雷接地是指雷電保護(hù)裝置（如避雷針、避雷線等）向大地泄放雷電而設(shè)的接地。當(dāng)電力系統(tǒng)遭受到雷電的襲擊時(shí)，防雷裝置能把侵入系統(tǒng)的雷電流引入大地進(jìn)行釋放，使設(shè)備得到保護(hù)。一般將其分成信號(hào)防雷地和電源防雷地，兩個(gè)之間的區(qū)別主要是對(duì)接地電阻的要求不一樣，而且信號(hào)防雷地在現(xiàn)實(shí)工程中基本都是單獨(dú)進(jìn)行連接的。

2.4 接地網(wǎng)關(guān)鍵指標(biāo)介紹及要求

2.4.1 接地電阻

接地電阻是指在給定頻率下，系統(tǒng)、裝置或設(shè)備的給定點(diǎn)與參考地之間的阻抗的實(shí)部。接地電阻值的大小受接地體形狀、尺寸和布置方式以及土壤電阻率等因素的影響，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中我們根據(jù)對(duì)接地電阻值的要求來(lái)反推得出各個(gè)參數(shù)的值。當(dāng)接地短路故障在電網(wǎng)中出現(xiàn)時(shí)，短路電流將通過(guò)接地體在大地中作半球形的擴(kuò)散，以接地體為基礎(chǔ)，隨著距離的增加電位逐漸降低，一般情況下離接地體20 m以外的電位可以近似看作為零電位。

2.4.2 接地網(wǎng)入地短路電流

入地短路電流是指電廠內(nèi)或電廠外發(fā)生接地短路時(shí)流經(jīng)接地裝置的電流。一般情況下中性點(diǎn)的運(yùn)行方式以及發(fā)生接地故障時(shí)的位置等都會(huì)使入地短路電流的大小受到一定的影響。為了在故障情況下能使接地網(wǎng)對(duì)故障電流的散泄作用得到充分利用，并且能選擇出比較后更合理的設(shè)計(jì)方案，在設(shè)計(jì)接地網(wǎng)之前精確地計(jì)算出入地短路電流是很有必要的。

2.4.3 接地網(wǎng)材料選擇

銅的導(dǎo)電性、高耐腐蝕性以及熱穩(wěn)定性性能優(yōu)越在接地網(wǎng)中被廣泛的應(yīng)用。本次主要對(duì)銅與鋼接地導(dǎo)體之間的導(dǎo)電性能、耐腐蝕能力以及在施工方面的可操作程度進(jìn)行比較分析。常溫下，銅的電阻率比鍍鋅鋼的電阻率低很多，因此銅的導(dǎo)電性能比鍍鋅鋼的好，同時(shí)，銅還具有良好的熱穩(wěn)定性。

銅在被腐蝕的過(guò)程中表面會(huì)產(chǎn)生銅綠，銅綠對(duì)其內(nèi)部的銅起到保護(hù)作用，防止了銅的進(jìn)一步腐蝕。采用鍍鋅鋼就是用鋅來(lái)對(duì)鋼起到防止腐蝕的作用，但是鋅本身不是良導(dǎo)體，降低了鍍鋅鋼的整體導(dǎo)電能力。在實(shí)際施工的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，銅具有良好的延展性，因此可在一定的范圍之內(nèi)對(duì)其進(jìn)行彎折，使得鋪設(shè)的過(guò)程比較方便。對(duì)于銅導(dǎo)體之間的連接可以采用火泥熔接，進(jìn)一步降低了施工的難度。我國(guó)由于銅資源比較缺乏，價(jià)格較高昂，因此對(duì)于一般重要程度的變電站的接地網(wǎng)采用的是鍍鋅扁鋼，雖然性能不如銅，但節(jié)約了成本并對(duì)銅資源起到了保護(hù)的作用。

（1）接地導(dǎo)體性能分析

銅和鋼是目前國(guó)內(nèi)使用最多的兩種接地網(wǎng)材料，而國(guó)外基本上都是采用銅及電鍍銅的鋼導(dǎo)體，尤其是鍍銅鋼棒因其綜合性能好而被廣泛用于接地材料。用銅或鋼做的接地網(wǎng)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，鋼的熱穩(wěn)定性要比銅好，且價(jià)格更加便宜，使用壽命較長(zhǎng)，但需要考慮到后期的維護(hù)和地網(wǎng)的安全運(yùn)行問(wèn)題。而銅比鋼的導(dǎo)電性和抗腐蝕性都強(qiáng)，另外采用銅做接地網(wǎng)可以免去后期維護(hù)費(fèi)用。

（2）接地導(dǎo)體的連接方式

在采用鍍鋅鋼作為接地網(wǎng)時(shí)一般采用雙引下線的方式，這是為了防止鋼腐蝕而斷裂，保證可靠接地，雙引下線要分別通入到不同的網(wǎng)格中。而銅由于具有了良好的耐腐蝕性能，一般采用單引下線就可滿足要求。

在電站的接地網(wǎng)中存在著大量的金屬導(dǎo)體，這些導(dǎo)體之間的連接方式會(huì)影響接地網(wǎng)的性能,尤其是對(duì)于銅體與銅體之間的連接以及銅與鋼之間的連接，對(duì)于銅材是否能夠發(fā)揮好其優(yōu)良的性能有著重要影響，目前在接地系統(tǒng)中常見的連接方式有4種:

第1種是采用銅銀焊的方法，該種方法適用于銅條之間、銅條和銅線之間以及銅絞線和銅絞線之間的連接，該種焊接方法只是對(duì)各個(gè)模塊之間進(jìn)行了表面上的連接，在其內(nèi)部并沒(méi)有熔合，因此其性能不理想。第2種是采用壓接線夾的方法，這種方法多在兩根銅絞線之間采用，比較適合單線對(duì)單線之間的連接，要想完成十字或其他形式的連接則需要采用定做的接線線夾，且連接后需再用螺栓進(jìn)行固定。第3種就是采用螺栓連接，它一般是對(duì)壓接線夾方法的補(bǔ)充，對(duì)于螺栓的連接需要參照相關(guān)的規(guī)定進(jìn)行，這是目前在我國(guó)使用范圍最廣的方法，但由于螺栓與被連接體材料工藝的差異往往對(duì)接地網(wǎng)的耐腐蝕性不利。第4種是火泥熔接(又稱為火泥熔焊或放熱熔焊)，是一種目前比較先進(jìn)的導(dǎo)體連接方法。該方法是將火藥燃燒，使用其產(chǎn)生的熱量，將導(dǎo)體需要連接的部分熔化使其連接為一體。該方法相對(duì)于傳統(tǒng)焊接工藝連接點(diǎn)導(dǎo)電性能及機(jī)械性能同樣較好?？紤]其優(yōu)良性能，目前火泥熔接的方式已經(jīng)在我國(guó)逐步得到推廣。

（3）接地導(dǎo)體截面選擇

采用鍍鋅扁鋼時(shí)，220 kV、110 kV的主接地網(wǎng)與引下線的面積一般選擇為480 mm2；采用銅時(shí)，220 kV、110 kV的主接地網(wǎng)與引下線的面積一般選擇為150 mm2。對(duì)接地體進(jìn)行校核時(shí)，其最小截面積S需要滿足:Sg≥IgteC其中，Ig是流經(jīng)引下線的短路電流值，te是短路電流的動(dòng)作時(shí)間，C是引下線材料的熱穩(wěn)定系數(shù)，其值的大小與材料以及允許的最高溫度和初始溫度有關(guān)。根據(jù)相關(guān)規(guī)定可知，對(duì)于220 kV的單相短路電流，流經(jīng)引下線的穩(wěn)定短路電流值Ig其值為50 kA，當(dāng)考慮到避雷線的工頻分流系數(shù)時(shí)，其值為25 kA；對(duì)于110 kV和220 kV的系統(tǒng)其短路電流的作用時(shí)間均為0.7 s。根據(jù)GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》可以知道，銅的熱穩(wěn)定系數(shù)C=210,對(duì)于采用銅材作為接地材料時(shí)，銅引下線的截面積Sg:Sg≥250 000.721 0=99.60在采用鍍鋅鋼時(shí)，由于鋅的耐腐蝕性高可以對(duì)鋼起到保護(hù)作用，但是在接地網(wǎng)的接觸部分由于采用了電焊加工，其存在點(diǎn)腐蝕的情況，因此一般鍍鋅鋼能夠在10年以內(nèi)保證其性能。對(duì)于銅材而言，其發(fā)生腐蝕時(shí)是在其整個(gè)表面上進(jìn)行的，其腐蝕速度只有鋼的1/5左右，在銅腐蝕的同時(shí)其表面會(huì)產(chǎn)生銅綠(堿式碳酸銅)，該物質(zhì)的產(chǎn)生能夠有效的阻斷了銅腐蝕的進(jìn)一步進(jìn)行，銅的年腐蝕率大約在0.02 mm。對(duì)于水平接地網(wǎng)的截面積則根據(jù)相關(guān)規(guī)定取引下線的75%。根據(jù)銅材與鋼材之間的差異，在用鋼作為引下線時(shí)，其截面積比采用銅作為引下線時(shí)大很多。

2.4.4 接觸電壓和跨步電壓

（1）接觸電壓

當(dāng)人接觸到發(fā)生故障的電氣設(shè)備外殼時(shí)，人的手與兩腳之間便形成一個(gè)電位差，這個(gè)電位差稱為接觸電壓。在中性點(diǎn)不進(jìn)行接地處理的系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生單相接地的故障時(shí)，故障電流是以接地點(diǎn)為中心向四周進(jìn)行擴(kuò)散的方式通過(guò)接地裝置和大地的，正因?yàn)檫@樣大地表面才形成了一個(gè)電位分布區(qū)，并且分布區(qū)內(nèi)不同點(diǎn)的電位也不同。

（2）跨步電壓

跨步電壓是指電氣設(shè)備發(fā)生接地故障時(shí)，在入地接地電流故障點(diǎn)附近電位分布區(qū)行走的人，其兩腳之間的電壓。當(dāng)跨步電壓達(dá)到40～50 V，則在這個(gè)電壓所涉及的范圍內(nèi)的人將會(huì)遭受觸電的危險(xiǎn)，而且較大的跨步電壓會(huì)導(dǎo)致人摔倒，這樣人體所承受的電壓會(huì)進(jìn)一步加大，甚至?xí)|電死亡。跨步電壓的大小取決于人體離接地點(diǎn)的距離，距離越遠(yuǎn)跨步電壓越小，在離接地點(diǎn)20 m以外的電位近似為零。

3 降低接地電阻的方法

3.1 水下接地

對(duì)于水力發(fā)電廠，若需要進(jìn)行降低接地電阻，應(yīng)盡量選擇水下接地的方法。水下接地網(wǎng)應(yīng)注意布置的位置，一般要在水庫(kù)蓄水的最低水位以下，且不要設(shè)置在水流湍急的地方以及有腐蝕性物質(zhì)的水域。水下接地網(wǎng)應(yīng)該與其他接地網(wǎng)之間存在一段距離，這樣能減少相互之間的屏蔽影響，充分利用各自的散流作用。為了長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮連接時(shí)水下接地網(wǎng)與其他接地網(wǎng)之間應(yīng)采用多根接地線。

3.2 引外接地

根據(jù)實(shí)測(cè)考察如果發(fā)現(xiàn)電廠附近的地區(qū)土壤電阻率比本區(qū)域的低且可以利用時(shí)，可以采用引外接地的方法來(lái)降低接地電阻。為了減小接地引線的阻抗壓降，提高引外接地體的利用效果，可以采用增大引外導(dǎo)體截面的措施。

3.3 深井接地

當(dāng)水力發(fā)電廠或附近地區(qū)有地下水而地表層土壤電阻率很高時(shí)，采用深井接地的方法能很有效地減小接地電阻。采用深井接地時(shí)接地體應(yīng)設(shè)置在水位以下或地層中電阻率較低處，同時(shí)其水平間距要大于埋設(shè)深度，以減小相互間的屏蔽影響，提高利用率。

3.4 人工降阻

如果不能采用深井接地和引外接地，當(dāng)接地網(wǎng)面積不大時(shí)可以采用人工降阻的措施來(lái)降低接地電阻。人工降阻措施包括使用降阻劑、電解極和低電阻率材料置換。對(duì)于集中接地體宜采用置換材料的方法來(lái)降低接地電阻，要因地制宜，就地取材。所用置換材料應(yīng)是電阻率低、無(wú)明顯腐蝕作用的，且應(yīng)施工簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)合理，但應(yīng)注意的是人工降阻材料和降阻劑不宜大面積使用。

根據(jù)以上四種降低接地電阻的措施，優(yōu)先選擇的是水下接地的方法，通過(guò)在水下合理布置接地網(wǎng)，成功將站區(qū)接地電阻降至0.48Ω，符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 總結(jié)與展望

伴隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，用電需求不斷增加，因此對(duì)電站建設(shè)的要求也不斷提高。此外，水電站基本都是建在山區(qū),土壤電阻率較高，安全性的要求使得水電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)顯得極其重要。伴隨特高壓、大電網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟應(yīng)用，電力系統(tǒng)時(shí)刻發(fā)生著巨大的變化，接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行也日益復(fù)雜，接地技術(shù)還有很大的提升余地，對(duì)于接地網(wǎng)模型的建立還需要進(jìn)一步提高。而且，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提升，合理應(yīng)用計(jì)算機(jī)智能來(lái)進(jìn)行龐大的接地網(wǎng)理論計(jì)算分析是一個(gè)很好的發(fā)展方向。