尼泊爾SANJEN水電站接地系統分析及計算

張 宇，馮云華

(水利部四川水利水電勘測設計研究院，成都，610072)

尼泊爾SANJEN水電站接地系統分析及計算

張 宇，馮云華

(水利部四川水利水電勘測設計研究院，成都，610072)

尼泊爾Sanjen水電站裝機容量43MW，應用IEEEGuideforSafetyinACSubstationGrounding(IEEESTD80-2000)進行接地系統的設計計算，確保電站人員及各種設備安全。計算包括接地電阻、接地導體截面選擇、接觸電壓、跨步電壓及地面電位升高(GPR)等。本項目接地系統包括132kV變電站底板接地，電站廠房底板接地及尾水渠底板接地。

接地電阻 故障電流 分流系數 跨步電壓 接觸電壓 地電位升高SANJEN水電站

1 工程概況

尼泊爾SANJEN電站為引水式電站，電站裝設3臺機組，1號、2號、3號機組分別裝設1臺14.32MW立式混流式水輪發電機組。

電氣主接線：3臺容量為14.32MW發電機(cosφ=0.85)分別與3臺變壓器采用單元接線，電壓等級11kV，發電機出口裝設發電機出口專用斷路器；高壓135.3kV側采用單母線接線，出線一回至CHILIME電站。

SANJEN電站按“無人值班”原則設計，采用計算機監控系統控制。本工程施工目前處于廠房開挖階段。

2 接地計算

2.1 計算依據

(1)根據已測得的電阻率值800Ω·m進行接地計算，電阻率是取值與本工程地質結構范圍內的平均測量值；

(2)地網上地表覆蓋一層0.08m～0.2m如瀝青之類的高電阻率土層，使站內土壤和人腳之間的接觸電阻增加，接地故障持續時間為0.5s；

(3)在有限的工程接地面積、土壤電阻率800Ω·m的情況下，接地系統設計時采用了離子接地體；

(4)計算的接觸電壓、跨步電壓滿足安全要求。

SANJEN電站接地系統接地計算參數見表1。

表1 電站接地系統接地計算參數

2.2 故障電流計算

根據《IEEEGuideforSafetyinACSubstationGrounding(IEEESTD80-2000)》，有效非對稱故障電流If=3I0。

經過阻抗變換，分別計算132kV母線、11kV母線接地故障短路電流值。

2.3 接地導體截面選擇

根據IEEE-STD80-2000表10〔1〕中可查得：

故障持續時間為0.5s，X/R=40(短路發生在主變壓器高壓側)；

故障持續的時間tf內的衰減系數Df值約為1.1。

因此，由132kV母線單相接地故障短路電流值來確定接地導體截面數值。

對稱電流等效值IF為20523×1.1=22575A(該電流值將被用來確定滿足接地要求的接地導體最小尺寸)。假定銅導體環境溫度為40°C，根據IEEESTD80-2000中公式(42)〔1〕與表2〔1〕得到接地導體截面積，考慮3s的短路持續時間(用于選擇導體)以及硬扎銅1084°C的熔點溫度，所需截面積計算結果為：

274kcmil=140mm2

根據以上計算結果，接地導體的截面積須不小于140mm2，考慮到導體機械強度及耐用性要求，導體截面積確定為150mm2。

2.4 跨步電位差和接觸電位差允許值

本工程接地系統接觸電位差與跨步電位差標準，基于0.2m厚度的碎石表面，5000Ω·m的表面電阻率，以及800Ω·m的土壤平均測量電阻率，不同電阻率材料之間的反射系數K由IEEESTD80-2000中公式(21)〔1〕計算。

K=-0.72的碎石，電阻率將按衰減因子Cs≈0.72降低。衰減因子Cs可用IEEESTD80-2000中公式(27)近似表示：

電站的接地裝置在圍墻之內，預計人員的體重約為70kg，IEEESTD80-2000中公式(30)〔1〕和(33)〔1〕可分別計算可承受的跨步電位差和接觸電位差：

=5883.8V

2.5 接地電阻

導體等間隔布設，其間隔D=5m，本工程廠房、升壓站以及尾水的布置方式，根據IEEE-STD80的方法建立——矩形接地計算模型，矩形面積125m×70m(包括升壓站、主廠房)、5m×20m(尾水)，然后根據矩形的長寬以及導體間隔，計算出所需水平接地導體長度。本項目設計垂直接地極26根，每根3m長。

由IEEESTD80-2000中公式(52)〔1〕，主廠房與升壓站接地電阻為：

尾水接地電阻：

由IEEESTD-8013.1表7查得水下混凝土電阻率21～100，因此取ρ=60。

離子接地體接地電阻：

安裝20根離子接地體后的接地電阻：

根據上述計算，可得工程總接地電阻：

Rg=0.85Ω

2.6 分流系數值

由于初始接地故障電流不間斷的流動，地網對稱電流可以表示為Ig=Sf·(3I0)〔1〕

為了確定Ig，必須計算電流分流系數Sf。計算過程包括導出與地網相連的架空接地線、中性線等的一個等效表達式，然后求解這個等效表達式，以便確定流過地網和地之間的電流占總故障電流的比例，以及多大部分總故障電流流經接地線或中性線。

Sf由許多參數決定，其中部分參數為：(1)接地故障位置；(2)本工程總接地網的阻抗大??；(3)與本工程直接相連的架空接地線，中性線或其它的接地回路。

IG=Df·Ig

2.7 地面電位升高(GPR)及跨步電位差和接觸電位差計算

根據IEEESTD665-1995(R2001)，地電位提升(groundpotentialrise(GPR))參考公式〔2〕，計算結果如下：

IG=Df·Sf·3·I0·Cp

IG=(1.1)(0.718)(20523)(1.25)=20261.25A

GPR=IG·|Zg|

GPR=20261.25×0.61=12359.4V

它遠大于Etouch70的安全值1637.5V，因此本接地設計必需作進一步計算。對于接地網的細化設計，根據IEEESTD80-2000條款16.5.1〔1〕公式仍可用于估算地網角位的網孔電壓。然而，由于地網是矩形，根據公式IEEESTD-80(84)～(88)〔1〕確定的因子，用于計算網孔電壓的n值。

n=na·nb·nc·nd

LP=125+125+70+70=390

nd=nc=1

n=(18.95)(1.02)(1)(1)=19.33

現由IEEESTD80-2000中公式(81)〔1〕和公式(83)〔1〕計算Km

Kii=1(對有垂直接地極的地網)

=0.42

用IEEESTD80-2000中公式(89)計算Ki

Ki=0.644+0.148·n

Ki=0.644+0.148×19.33=3.505

最后，利用公式(80)和公式(91)〔1〕計算Em，

=4999.9V

這里計算的網孔電壓明顯高于1637.5V的的Etouch70上限。

因為跨步電壓還沒計算，還要用公式(92)～(94)〔1〕分別計算Es、Ls和Ks，Ki仍為3.505(與網孔電壓值同)。

=0.276，則

計算出角落的網孔電壓現在低于可承受的接觸電壓(即4420.78V與5883.8V的比較)，網孔電壓明顯高于1637.5V的Etouch70上限，因此，升壓站地面將被覆蓋一層高電阻率材料(ρs≥30000)。為得到一個安全接地的設計，可作如下計算：

當ρs≥30000，衰減因子Cs可用IEEESTD80-2000中公式(27)〔1〕近似表示：

=8415V

Em=4999.9V

計算出角落的網孔電壓現在低于可承受的接觸電壓(即4999.9V與8415V的比較)：

=32993.9V

Es=4420.78V

算出的Es遠低于可承受的跨步電壓，即4420.78V遠低于32993.9V。

3 建議及結論

通過本工程接地設計，有如下結論：

4.1 確定最大短路故障電流主要來自于系統側短路提供。

4.2 可開展進一步土壤電阻率測量，尤其是周圍土壤電阻率及平均天然巖土電阻率測量及試驗，以保證計算結果更符合工程實際情況。

4.3 本工程接地網設計網格尺寸5m×5m是合適的。

4.4 采取適當的解決措施，以使接觸電壓達到安全水平。由計算可知，“因網孔電壓明顯高于1637.5V的Etouch70上限，升壓站地面將被覆蓋一層高電阻率材料”。這里的高電阻率材料建議使用瀝青，厚度0.2m。

4.5 電站外延伸的任何金屬路徑，如圍欄、軌道、水管、煤氣管道、石油管道等，應在適當位置安裝絕緣型材或法蘭以防止潛在的轉移電位在電站外區域，造成危險的接觸和跨步電位差。

4.6 由于原生土壤的不確定性及巖石電阻率的原因，在施工過程中，應測量系統接地電阻、接觸電位差和跨步電位差，并與接地計算結果比較。

4.7 敷設的表面瀝青，應測量或測試以確保其電阻率符合要求，使接觸電壓和跨步電壓達到設計安全水平。

4.8 經接地設計計算，本工程招標階段接地工程量滿足施工期間接地施工要求。

〔1〕IEEESTD80-2000Copyright@2000IEEE.Allrightsreserved.

〔2〕IEEESTD665-1995(R2001)Copyright@1998IEEE.Allrightsreserved.

張 宇(1970-)，男，成都人，工程師，本科，主要研究方向電氣一次；

馮云華(1979-)，女，重慶人，工程師，本科，主要研究方向電氣一次。

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2095-1809(2016)01-0092-04