華東某電站接地網測試及改造方案

蔣佳杰 夏永強 徐沛柔 鄭智勇 馬峰

摘? 要：以華東某電站接地網為例，對其安全性進行了分析。針對全廠接地電阻，一、二次設備導通性，500 kV開關站、廠房主變室和母線洞的接觸電壓、跨步電壓等進行計算和診斷，依據上述計算結果對此變電站接地網的安全性和可靠性進行分析、評價和改進，以確保工作人員人身安全、電站安全運行，對此類電站的建造、評估與改造具有一定的指導作用。

關鍵詞：接地網;接地電阻;接觸電壓;跨步電壓;導通性;評估;改造方案

0? ? 引言

接地網對于電力系統的安全、可靠運行起著不可忽視的作用。但接地網常年埋在地下，腐蝕不可避免，腐蝕將直接導致接地截面減小、電氣性能參數變化，嚴重時會直接危及電網的安全運行[1]。因此，進行接地網狀態檢測，及早發現問題并采取相應保護措施，智能化地完成接地網維護工作，顯得十分迫切和重要。保證接地網的完整性、安全性、可靠性，對于保障電力系統的可靠運行和站內工作人員的人身安全起著至關重要的作用[2]。

1? ? 電站基本情況

華東某電站距市區約7 km[3]。該電站以500 kV兩回7.5 km線路接入500 kV某變，電站裝機容量1 000 MW，裝設4臺單機容量為250 MW的機組。發電機中性點經接地變壓器接地，主變壓器容量為300 MVA，發電機—變壓器（4臺300 MVA主變壓器）采用單元接線[4-5]。在500 kV側2臺主變采用絕緣封閉組合電器（GIS）管道母線組成聯合單元，以2回500 kV交聯聚乙稀（XLPE）電纜（單相電纜長度680 m）接至地面500 kV GIS開關站，500 kV電氣主接線為2進2出內橋接線[6-7]。

本文主要以華東某電站開關站5220線為例對接觸電壓[8]、跨步電壓[9-10]等進行計算分析，進而保證接地網的安全可靠運行。

2? ? 測量方法

2.1? ? 接地電阻測量方法

本次實驗采用變頻三角形法進行接地阻抗實驗，具體實驗接線原理如圖1所示[11]。

本次實驗采用人工放線，電壓線和電流線采用2.5 mm2截面積的多股銅絞線，實驗電流頻率為45 Hz與55 Hz，標準正弦波波形，電流幅值為5 A，滿足實驗電源的基本要求。電流線從500 kV開關站右邊向一條停運的35 kV線路引出，電壓線從500 kV開關站左邊向下方大壩方向引出，兩條線相隔距離遠、無平行段，可以大大減少電流線與電壓線之間的互感，提高測量的精準度[12-13]。

2.2? ? 跨步電壓測量方法

在測試區域內導通性測試良好的接地點注入電流，測量該區域內距離為1 m的地表電位差，并繪制該區域內跨步電壓曲線圖[14]。

跨步電壓測量所選電流極位置與接地電阻測量電流極相同，測量示意圖如圖2所示。

2.3? ? 接觸電壓測量方法

在測試區域內導通性測試良好的接地點注入電流，測量設備架構距地面2.0 m高處與水平距離1 m的地表電位差。

接觸電壓測量所選電流極位置與接地電阻測量電流極相同，測量示意圖如圖3所示[15-16]。

2.4? ? 導通性測量方法

首先選定一個很可能與主地網連接良好的設備的接地引下線為參考點，再測試周圍電氣設備接地部分與參考點之間的直流電阻，如圖4所示。如果開始即有很多設備測試結果不良，宜考慮更換參考點[17]。

3? ? 測量過程

3.1? ? 接地電阻

根據《水力發電廠接地設計技術導則》（NB/T 35050—2015）中4.1.1條款，有效接地系統的水力發電廠接地裝置接地電阻宜符合下式要求：

R≤

式中：R為考慮到季節變化的最大接地電阻（Ω）;I為計算用流經接地裝置的最大入地電流（A，有效值）。

由華東某電站提供的資料，該電站流經接地裝置的最大入地電流約為7.9 kA。經計算，該電站接地電阻R的值宜小于等于0.253 2 Ω。

測試結果0.240 6 Ω<0.253 2 Ω，故華東某電站接地電阻符合規程標準及設計要求。

3.2? ? 跨步電壓

根據《接地裝置特性參數測量導則》（DL/T 475—2017）中的折算公式（3），將測試跨步（接觸）電壓值Us′折算成最大入地電流下實際值Us，與《交流電氣裝置的接地設計規范》（GB/T 50065—2011）中4.2.2規定的安全值進行比較判斷。

Us=Us′

式中：Im為注入地網的測試電流;Is為被測接地裝置內系統單相接地故障電流（7.9 kA）。

本次測試開關站5220線跨步電壓最大值為2 726.4 V;華東某電站設計單位華東勘測設計研究院所提供的資料顯示，500 kV開關站跨步電位差Ek允許值為1 954.3 V。最大實際值大于允許值，因此開關站5220線跨步電壓不合格。

3.3? ? 接觸電壓

本次測試開關站5220線接觸電壓最大值為829.60 V;華東某電站設計單位華東勘測設計研究院所提供的資料顯示，500 kV開關站接觸電位差Ej允許值為769.2 V，最大實際值大于允許值，因此開關站5220線接觸電壓不合格。

3.4? ? 導通性測試

根據2.4導通性測試方法，測試了相關區域一、二次盤柜外殼與基準點之間的導通性。經過測試，導通性均為良好。

4? ? 總結

基于以上流程，對該電站的接地參數進行測量，結果如表1所示。

結論如下：

（1）全廠接地電阻測量值為0.240 6 Ω，滿足規程要求;

（2）每個測試區域的接觸電壓、跨步電壓都有部分大于上限值，因此不滿足規程要求;

（3）導通性測試，所測區域的一、二次盤柜外殼與基準點之間的導通電阻均小于50 mΩ，導通性良好。

5? ? 改進意見

本節依舊以5220線為例進行改進計算，來驗證假設的可行性，從而將改進方法推廣至全廠使用。此次計算參考規程為《水力發電廠接地設計技術導則》（NB/T 35050—2015），圍繞提高接觸電壓安全限值和降低接觸電壓兩個方面，可以采用布置均壓網的方式來達到降低接觸電壓的目的。均壓網采用40 mm×4 mm的紫銅條，長度為40 m，寬度為30 m。沿長、寬方向布置的均壓帶導體根數均為8根，埋深為0.2 m。

均壓網的布置有均壓帶等間距布置和不等間距布置兩種方式，不等間距布置的目的是使各網孔接觸電位差相等。根據經驗和現場實際情況分析，該電站開關站適合采用不等間距均壓網。

根據《水力發電廠接地設計技術導則》（NB/T 35050—2015）表7.3.2，不等間距布置的7網格均壓網網孔邊長百分數如表2所示。

所以，各網格長、寬所對應的邊長如表3所示。

5.1? ? 增設均壓網后跨步電位差計算值

在發生接地短路時，接地網外的地表面的最大跨步電位差Ekm可按下式計算：

Ekm=KkEw

式中：Ekm為最大跨步電位差（V）;Kk為跨步系數;Ew為接地裝置的電位（V）。

其中，跨步系數Kk（不等間距布置時）可按下式計算：

Kk=KkhKknKkdKksKkmKkl

式中：Kkh為均壓帶埋深影響系數;Kkn為均壓帶根數影響系數;Kkd為均壓帶導體直徑影響系數;Kks為均壓網面積影響系數;Kkm為接地網網孔數影響系數;Kkl為接地網形狀影響系數。

Kkh、Kkn、Kkd、Kks、Kkm、Kkl可按下列方法計算：

Kkh=383.964e

Kkn=0.849-0.234

Kkd=0.574+0.64

Kks=0.07+1.08/

Kkm=0.056+1.072/m

Kkl=0.741-0.011（l2/l1）

根據計算，跨步系數Kk=0.334 3，接地裝置的電位Ew=IR（I為計算用入地短路電流，R為地網的接地電阻），根據《華東某電站2019年接地網安全性狀態檢測報告》提供的數據，I=7 900 A，R=0.240 6 Ω，代入公式可得Ew=7 900×0.240 6=

1 900.74 V，因此增設均壓網后最大跨步電位差Ekm=1 900.74×

0.334 3≈635.42 V，小于上限值1 954.3 V，因此設計的均壓網滿足跨步電壓的要求。

5.2? ? 增設均壓網后接觸電位差計算值

在發生接地短路時，接地網地表面的最大接觸電位差即網孔中心對接地網接地體的最大接觸電位差Ejm可按下式計算：

Ejm=KjEw

式中：Ejm為最大接觸電位差（V）;Kj為接觸系數;Ew為接地裝置的電位（V）。

其中，接觸系數系數Kj（不等間距布置時）可按下式計算：

Kj=KjhKjnKjdKjsKjmKjl

式中：Kjh為均壓帶埋深影響系數;Kjn為均壓帶根數影響系數;Kjd為均壓帶導體直徑影響系數;Kjs為均壓網面積影響系數;Kjm為接地網網孔數影響系數;Kjl為接地網形狀影響系數。

Kjh、Kjn、Kjd、Kjs、Kjm、Kjl可按下列方法計算：

Kjh=0.257-0.095

Kjn=0.021+0.217-0.132n/n

Kjd=0.401+0.658/

Kjs=0.054+0.410

Kjm=2.837+240.021/

Kjl=0.168+0.002/l

根據計算，接觸系數Kj=0.127 842，接地裝置的電位Ew=IR（I為計算用入地短路電流，R為地網的接地電阻），根據《華東某電站2019年接地網安全性狀態檢測報告》提供的數據，I=7 900 A，R=0.240 6 Ω，代入公式可得Ew=7 900×0.240 6=

1 900.74 V，因此增設均壓網后最大接觸電位差Ejm=1 900.74×

0.127 842≈242.99 V，小于上限值769.2 V，因此設計的均壓網滿足接觸電壓的要求。

6? ? 結語

依照此計算規則，埋設均壓網的改進方案可行，該電站敷設均壓網后接觸電壓值與跨步電壓值均能降至限值以下，可推廣至全站使用。

[參考文獻]

[1] 邵洪平，徐一蓉.變電站接地網工程降阻技術研究[J].電力設備管理，2020（3）：46-47.

[2] 邵洪平.變電站接地網接地電阻計算方法研究[J].電力設備管理，2020（2）：57-59.

[3] 邵洪平.變電站接地網的土壤腐蝕因素研究[J].電力設備管理，2020（1）：113-115.

[4] 程翔.變電站接地網安全評估方法[J].通信電源技術，2019，36（10）：160-161.

[5] 邵洪平，李學騰.變電站接地網腐蝕程度分類研究[J].電力設備管理，2019（10）：54-55.

[6] 楊岳華.110 kV變電站接地網降阻解決方案及應用[J].通訊世界，2019，26（9）：314-315.

[7] 權學政，李朝霞.西藏某220 kV變電站接地網狀態評估與改造[J].電工電氣，2019（1）：34-36.

[8] 田松.某220 kV變電站接地網安全評估分析[J].電子世界，2018（22）：45-46.

[9] QIN S Q，WANG Y，TAI H M，et al.TEM apparent resisti-

vity imaging for grounding grid detection using artificial neural network[J].Generation，Transmission & Distribution，The Institution of Engineering and Technology，2019，13（17）：3932-3940.

[10] 王欣，郭博聞.變電站接地網腐蝕機理分析及腐蝕診斷技術發展現狀[J].吉林電力，2019，47（2）：10-12.

[11] SONG C F，WANG M，QIN X B，et al.The Optimization Algorithm of the Forced Current Cathodic Protection Base on Simulated Annealing[J].Algorithms，2019，12（4）：83.

[12] SU M M，LIN Y H，LI Z Z，et al.Analysis on frequency and impulse characteristics of grounding grid[J]. The Journal of Engineering，2019（16）：2405-2409.

[13] TONG X F，DONG X H，TAN B.High current field test of impulse transient characteristics of substation grounding grid[J].The Journal of Engineering，2019（16）：2018-2021.

[14] LI G X，WANG Y，GUAN Y L，et al.Research on evaluation method of soil corrosive property to grounding grid in transformer substation[J]. IOP Conference Series：Materials Science and Engineering，2019，479（1）：1-7.

[15] RITTONG，SIRISUMRANNUKUL.Safety impacts of electric potential and electromagnetic fields as result of faults in electric distribution system[J].Journal of the Chinese Institute of Engineers，2020，43（3）： 269-278.

[16] LI S F，FU Y H，XIE Y.Study on the Calculation Method of Interference Voltage of Shielded Cable under the Condition of Lightning Strike in Smart Substation Grounding Grid[J].IOP Conference Series：Materials Science and Engineering，2018，439（5）：2042-2047.

[17] 李謙.大型接地網性能評價技術綜述[J].廣東電力，2018，31（8）：139-146.

收稿日期：2020-06-16

作者簡介：蔣佳杰（1988—），男，江蘇宜興人，工程師，研究方向：電氣工程及其自動化。