國外發電廠接地網的設計及安全性能評估

鄒 杰 陳 平 魏華棟 于明輝

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南250013）

0 引言

國外發電廠的設計項目越來越多，我國國家標準GB往往不被接受，其中，大部分國外項目都明確要求按照IEEE標準進行設計［1］。

目前，國內接地系統的設計以接地電阻的計算為主要內容，而對發電廠地表的電位分布、接觸電壓、跨步電壓只是簡單校驗。接地網設計較簡單，還處于經驗設計階段，利用簡單公式進行計算，無法評估全廠范圍內不規則形狀的地網的安全性。本文以菲律賓某燃煤電站的接地網為例，介紹應用CDEGS軟件進行涉外發電廠工程的接地網安全性能評估的方法。

1 CDEGS軟件簡介

CDEGS 是 Current Distribution、Electromagnetic Field、Grounding and Soil Structure Analysis（電流分布、電磁場、接地和土壤結分布）的縮寫，由加拿大SES公司（Safe Engineering Services ＆ Technologies Itd.，安全技術工程服務有限公司）出品。該軟件為接地、電磁場、交直流電磁兼容，以及陰極保護等問題服務，具有多種組件高度集成以及多功能的通用軟件工具，能夠計算并分析各種接地系統參數，如地表電位、接觸電壓、跨步電壓、接地阻抗、故障電流分布，在電力系統中用途十分廣泛［2－3］。

其中，發電廠接地網設計中用到的MALZ模塊是頻域接地分析模塊，通過其仿真，可得到如下數據［4］：（1）空間磁場分布；（2）導體與土壤電位分布，包括觀測范圍內各點的接觸電壓和跨步電壓分布情況；（3）各段導體中電流大小及方向的分布。

2 主接地網的設計及其安全性能評估

2.1 全廠接地網的布置

一個安全的接地系統，除了需要保證設備良好接地外，還應滿足人體耐受的接觸電壓和跨步電壓的要求。

由于發電廠的接地網面積較大，當發生接地短路時，接地網的阻抗比例增大，進行接地系統分析時，應考慮接地網的阻抗特性，國內常規的手算法無法計算，需借助強大的計算軟件進行分析。CDEGS軟件的MALZ模塊可以準確模擬復雜結構土壤中大型的金屬接地網。

為了分析發電廠全廠范圍內接地系統的安全性，需要首先建立發電廠全廠接地系統的3D模型。圖1為整個發電廠接地系統的3D圖。

廠內高、中、低壓系統分別發生接地故障時，中壓系統為高阻接地系統，只有很小的短路故障電流，低壓系統為直接接地系統，短路電流較大，但僅在接地網及變壓器接地中性點之間形成環流，對于地電位升、接觸電壓、跨步電壓影響較小。由于高壓系統的故障電流有兩個來源，一部分來自于發電機，另一部分來自于系統側，來自于發電機的短路電流經主變壓器的中性點和地網形成環流，因此真正引起危險的是來自于經過分流的系統側入地電流。由于危險的入地電流發生于升壓站側，考慮接地網導體阻抗后，升壓站及變壓器區域最接近于故障點，此處應設置較密的水平接地導體。

圖1 發電廠接地系統3D布置圖

2.2 高壓系統短路電流的分布及入地電流的計算

電廠高壓側發生接地故障時，短路電流分布示意圖如圖2所示。

圖2 接地故障接線示意圖

根據GB50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規范》標準計算入地電流公式為：

式中，Df為整個故障時間內的衰減系數。

Ig的計算分為廠內和場外故障兩種情況，廠內故障時：

式中，Imax為最大故障電流有效值（kA）；In為流經廠內設備中性點的電流（kA）；Sf1、Sf2為廠內外發生故障時的分流系數［5］。

由此可見，國內算法中，計算入地電流時，直接將變壓器中性點的環流減去，這樣會使接觸電壓和跨步電壓的計算值偏小。

以上述發電廠工程為例，廠內最大接地故障電流為49.5kA，變壓器中性點環流為11kA，線路分流系數為0.68，利用CDEGS軟件的MALZ模塊的安全評估結果如下：

（1）不考慮變壓器環流，入地電流為：

軟件計算后：最大接觸電壓1 604.37V，最大跨步電壓為250.277V。

（2）考慮變壓器環流，在 MALZ模塊中，分別輸入兩個激勵，一個為升壓站區域流入地網的電流IFS＝Ig＋In＝26.18＋11＝37.18kA，另一個為變壓器中性點區域流出地網的電流It0＝11kA，軟件計算后：最大接觸電壓1 653.701V，最大跨步電壓為275.574V。

由此可見，計入變壓器中性點環流后，同樣一個地網的接觸電壓和跨步電壓值都較高，因此，考慮變壓器環流后設計的地網會更加安全。

2.3 接地系統安全性評估

基于IEEE80的標準，接觸電壓及跨步電壓安全值依據以下參數計算得出：方法標準 ANSI／IEEE Standard 80，人體重50kg，人體電阻值1 000Ω，X／R比值30，故障清除時間0.5s，表層土壤電阻率508.6Ω·m（按干季土壤結構確定）。當升壓站內發生接地故障時，50kg人體最高耐受接觸電壓值僅為273.5V，而全廠最高接觸電壓值達到了1 653.701V，遠遠高于安全限值，全廠接觸電壓分布如圖3所示。

圖3 全廠接觸電壓分布圖

由圖3可見，發生危險的最高接觸電壓的位置主要集中于升壓站邊緣位置。此時接地系統是不安全的，需要優化接地網的設計。優化途徑有兩種，一是可以在高危險區域增加水平接地導體和垂直接地棒；二是鋪設高阻地面，提高人體的耐受電壓。

進一步優化接地網的布置，并在土壤表層鋪設了電阻率為8 500Ω·m、厚度為15mm的碎石后，電位差安全限值提高，接觸電壓和跨步電壓均滿足接地網的安全性能要求，即最終設計的優化地網為安全地網。具體仿真數據如表1所示。

表1 接地網電位差及安全限定值

3 結語

國外發電廠工程的業主對于接地網的安全性能要求較高，應用CDEGS軟件進行接地網的設計及安全性評估，容易通過業主工程師審查。

采用IEEE標準設計涉外發電廠工程接地系統的步驟可概括為以下3步：（1）全廠主接地網的初始布置；（2）接地網入地電流的計算；（3）對初始接地網進行安全性能評估，如不滿足要求，進一步優化設計方案，直至滿足電壓安全限值為止。

［1］周建，路平，王鋒，等.采用IEEE標準設計發電廠升壓站接地網的研究［J］.華東電力，2010，38（8）：1251－1254.

［2］徐華，李思南.利用CDEGS軟件診斷接地網聯通狀態［J］.浙江電力，2008，30（6）：33－36.

［3］牛曉民.電力系統接地分析軟件CDEGS簡介［J］.華北電力技術，2004，34（12）：29－31.

［4］張大寧，劉冉，蔡靜，等.變電站接地網缺陷診斷系統［J］.東北電力技術，2014（2）：54－57.

［5］IEEE Std80—2000 IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding［S］.