馬馬崖一級水電站接地設計與分析

陳丹燕，張光成，劉 濤，王 勇

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽550081）

1 電站概況

馬馬崖一級水電站樞紐建筑物由碾壓混凝土重力壩、壩身溢流表孔、左岸引水系統、左岸地下廠房和尾水系統組成。總裝機容量558MW，開發任務是以發電為主，航運次之。

電站裝機3×180+1×18MW，以220kV一級電壓、出2回接入系統。發電機電壓側采用發電機-變壓器組單元接線，220kV出線側采用雙母線接線。站內預留一個出線間隔的可能。為保證電站安全經濟運行，對本電站的接地進行深入研究，確定了經濟可靠的接地設計方案。

2 接地方案

全廠接地網由地下廠房接地網，大壩、進水口、壩區變接地網，上游庫區水下接地網，中控樓接地網，下游尾水渠水下接地網及引水發電系統接地網等幾部分組成，各地網之間相互連接構成整個電站的接地網。

在CDEGS中建立的馬馬崖一級水電站接地計算模型如圖1所示。

根據接地電阻及入地短路電流的計算，電站的接地電阻為0.958∠6.5°Ω；由于電站的最大入地短路電流為4.446kA，根據GB 50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規范》：對于有效接地系統和低電阻接地系統，GPR應符合下列要求：

馬馬崖一級水電站的GPR為4.446kV，已經超過了2kV，需要對接地網的點位分布做安全性校驗，安全性校驗主要包括接觸電勢、跨步電勢、網內電位差和地電位升是否反擊10kV避雷器的校驗。

圖1 接地計算模型圖

3 接地設計安全性校驗

3.1 跨步、接觸電勢校驗

據GB/T 50065，發電廠和變電站接地網的接觸電位差和跨步電位差不應超過下列二式計算所得的數值：

其中，Ut為接觸電位差允許值；Us為跨步電位差允許值；ρs為地表層的電阻率，Cs為表層衰減系數；t為接地故障電流持續時間。

取t=0.5s，考慮到變電站表層已敷設絕緣地坪，取ρsCs=1000，即接觸電勢和跨步電勢的允許值分別為Ut=486.5V，Us=1236.0V。

從電站開關站邊角注入最大入地短路電流4.641kA，開關站接地導體按設計圖紙布置，經計算得到開關站的接觸和跨步電勢如圖2、3所示。

圖2 開關站接觸電勢色塊圖

圖3 開關站跨步電勢色塊圖

從圖2和圖3可以看出，在開關站邊角注入最大入地短路電流時，其最大的接觸電勢156.891V，小于允許的最大接觸電勢Ut=486.5V，最大跨步電勢為24.845V，同樣也小于允許的最大跨步電勢Us=1236.0V。

3.2 網內電位差校驗

在開關站邊角注入最大入地短路電流4.641kA，經計算得到各部分接地網的地電位和網內電位差如表1所示。

表1 電站各部分接地網電位分布表

從表1可知，電站最大的網內電位差是開關站與上水庫電位差，為1015V，小于規程要求的2kV，因此可以保證二次設備和二次電纜的絕緣安全。

3.3 地電位升高反擊時10kV避雷器校驗

接地網電位升高時對低壓避雷器的反擊可以通過圖4所示的模型進行分析。接地網的電位升Ug加在避雷器端子對接地網間的電容CB和線路對地電容CL的串聯回路上。由于CL＞CB，所以認為全部的地電位升都將作用在CB上，也就是避雷器上。

圖4 地電位升反擊低壓避雷器示意圖

接地系統設計時要求保證電站內所有6～10kV避雷器在地暫態電壓的反擊下不動作，因而要求全廠的工頻接地電阻值R應滿足：

其中U1S為6～10kV避雷器1s工頻耐受電壓（kV），Uxge為電力網標稱相電壓（kV），I為入地短路電流穩態有效值（kA）。

以10kV系統中額定電壓為17kV的電站型避雷器為例，其1s工頻耐受電壓約為額定電壓的1.25倍，即U1S=21.25kV，由于10kV系統的相電壓為5.8kV，則根據式（1）可以計算出其最大允許的穩態地電位升為8.58kV。而對于額定電壓為13.5kV的電機用避雷器，U1S=16.88kV，則最大允許的穩態地電位升只有6.15kV。

電站的穩態地電位升VG=0.958×4.641kV=4.446kV，根據以上分析可知，即使是電機型的避雷器，要使地電位升反擊10kV避雷器，其GPR要達到6.15kV，馬馬崖一級水電站的GPR只有4.446kV，小于反擊避雷器的GPR，不存在接地網地電位升反擊10kV避雷器的問題。

4 接地設計結論與分析

（1）大范圍土壤電阻率對接地阻抗的影響很大，當大范圍土壤電阻率從500Ω·m增加到2000Ω·m時，接地阻抗從0.484Ω增加到了1.442Ω，增加了197.9%。

（2）接地導體材料對接地阻抗有一定影響，馬馬崖一級水電站采用銅材地網相比鋼材其接地阻抗降低了10.6%，不等電位現象不明顯。

（3）隨著上庫水深的增加，馬馬崖一級水電站的接地阻抗逐漸減小，因此上游水深對接地阻抗有一定的影響，但不明顯。當上庫水深從48m增加到58m時，接地阻抗從0.960Ω降低到0.956Ω，僅降低了0.4%。若上下水庫都不蓄水，則馬馬崖一級水電站的接地阻抗為1.045∠5.978°Ω。

（4）由于廠房相對于開關站更接近接地網的中心地區，散流更均勻，所以短路點為開關站的接地阻抗較短路點為廠房時的接地阻抗大，短路點為開關站邊角時的接地阻抗較短路點為開關站的中心時的接地阻抗大。

（5）馬馬崖一級水電站的大范圍土壤電阻率為1233Ω·m，則其接地阻抗為0.958∠6.5°Ω。（另外，由于所采用土壤電阻率測量方法的限制，土壤電阻率的測量值與實際值會有一定差異，使接地阻抗的理論計算存在一定的誤差，最后應以實測值為準）。

（6）由于馬馬崖一級水電站地處山區，擴大接地網面積降阻難以實現，而采用深井接地和降阻劑的降阻效果皆不理想。

（7）馬馬崖一級水電站發生站內故障時，兩相接地短路時的入地短路電流略大于單相接地短路時的入地短路電流，而站外故障時，兩相接地短路時的入地短路電流略小于單相接地短路時的入地短路電流。

（8）站內短路時，若電站接地電阻取0.85Ω，桿塔接地電阻取30Ω，則最大入地短路電流穩態有效值為1.661kA。

（9）站外短路時，入地短路電流與短路點有關，隨著短路點離電站距離的增大，入地短路電流呈現先增大后減小的趨勢。直至短路發生在站外第22基桿塔時入地短路電流達到最大，最大入地短路電流的穩態有效值為3.315kA。

（10）馬馬崖一級水電站站內電源強于系統電源，所以站外短路時入地短路電流較大。根據上述計算結果，最嚴重情況下入地短路電流穩態有效值為3.315kA，取直流分量的衰減系數為1.4，則考慮暫態效應后入地短路電流為4.641kA。

（11）馬馬崖一級水電站的GPR為4.446kV，已經超過了2kV，需要對接地網的電位分布做安全性校驗，安全性校驗主要包括接觸電勢、跨步電勢、網內電位差和地電位升是否反擊10kV避雷器的校驗。

（12）在開關站邊角注入最大入地短路電流4.641kA時，開關站的最大接觸電勢156.891V，小于允許的最大接觸電勢Ut=486.5V，最大跨步電勢為24.845V，同樣也小于允許的最大跨步電勢Us=1236.0V。

（13）在開關站邊角注入最大入地短路電流4.641kA時，馬馬崖一級水電站最大的網內電位差是開關站與上水庫電位差，為1015V，小于規程要求的2kV，因此可以保證二次設備和二次電纜的絕緣安全。

（14）馬馬崖一級水電站的穩態地電位升VG=0.958×4.641kV=4.446kV，即使是電機型的避雷器，要使地電位升反擊10kV避雷器，其GPR要達到6.15kV，馬馬崖一級水電站的GPR只有4.446kV，小于反擊避雷器的GPR，不存在接地網地電位升反擊10kV避雷器的問題。

（15）馬馬崖水電站在基建與運行時注意了高電位引出、地電位引入的問題，所有通信電纜采用光纖。

綜上，雖然馬馬崖一級水電站的土壤電阻率偏高，接地電阻較高，達到了0.958Ω（實測值0.58Ω），致使其地電位升超過了2kV，但是經過對接地網進行安全性分析，在上文所述的條件下，即使不采取降阻措施，電站的接地網仍滿足安全運行的條件。

5 結語

本文簡述馬馬崖一級水電站接地網的設計與分析，通過對接地設計方案進行安全性校驗，電站的接地網滿足相關規范要求及安全運行條件，可供大型水電站接地系統設計及其安全性校驗參考。