水電站接地系統

孟 然

（中國水利水電第十四工程局有限公司機電安裝事業部，云南 昆明 650032）

1 接地的意義

接地的目的是確保系統或者設備在出現故障的時候將地電壓迅速降低到人所能承受的安全電壓范圍內，同時避免高壓對電網二次設備的傷害，保障電氣系統和電氣設備的正常運行及人身安全。因此，電站的安全運行離不開良好的接地設計與運行。

2 接地的基本原理

2.1 接地的概念

在系統、裝置或設備的給定點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不帶電的電氣設備和裝置也需要對其進行接地處理。根據之前我們所學的知識可知電壓一定時電流的大小與電阻成反比，因此接地極的電阻越小，流過接地極的電流就越大，由分流原理可知此時流過人體的電流就越小。因此我們可以推理得出當接地電阻很小時，流經人體的電流會減小到接近于零，人即使觸碰到也可避免觸電。因此，在任何情況下，設計都應確保接地電阻在規定值的范圍以內。

2.2.2 保證電力系統的正常運行

在電力系統中通常采用的接地方式都是中性點接地，所以系統中性點與地之間等電位。若系統中性點不進行接地處理，當其中的一相發生短路或者接地時，另外兩相的電壓將升高至線電壓。而對于中性點進行接地處理的系統，其工作電壓不變。把系統的中性點進行接地處理可以使繼電保護的可靠性得到保證。在通信系統中，為防止噪聲干擾，保證通信設備的工作正常，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接地、工作接地和防雷接地。

2.3.1 保護接地

為電氣安全，將系統、裝置或設備的一點或多點接地稱為保護接地。正常工作情況下，設備的外殼是沒有電的，但當線路發生故障或非絕緣體（如金屬外殼）短路時，這些原本不導電的地方就會變成帶電體，若這些部分沒有進行接地處理，就會在大地和這些部分之間形成一個較高的電位差，此時如果人接觸到這些帶電部分就會在人體內形成一個電流通道，嚴重威脅人的安全。因此，必須對帶金屬外殼的設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。將會產生磁場的設備外殼進行屏蔽并做接地處理，可以消除電磁場帶來的的危害，其屬于保護接地。

(2)防靜電接地

防靜電接地是指為防止對易燃油、天燃氣貯罐和管道等的危險作用而設的接地。規程中要求其接地電阻一般在10 Ω以內；防靜電接地也屬于保護接地。

2.3.2 工作接地

工作接地是在電力系統電氣裝置中，為了系統運行的需要而設置的接地，如中性點接地。其主要作用是保證低壓系統電位的穩定性，降低由于單相接地，高低壓短接等原因產生過電壓的危險性。

2.3.3 防雷接地

防雷接地是指雷電保護裝置（如避雷針、避雷線等）向大地泄放雷電而設的接地。當電力系統遭受到雷電的襲擊時，防雷裝置能把侵入系統的雷電流引入大地進行釋放，使設備得到保護。一般將其分成信號防雷地和電源防雷地，兩個之間的區別主要是對接地電阻的要求不一樣，而且信號防雷地在現實工程中基本都是單獨進行連接的。

2.4 接地網關鍵指標介紹及要求

2.4.1 接地電阻

接地電阻是指在給定頻率下，系統、裝置或設備的給定點與參考地之間的阻抗的實部。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，因此在設計過程中我們根據對接地電阻值的要求來反推得出各個參數的值。當接地短路故障在電網中出現時，短路電流將通過接地體在大地中作半球形的擴散，以接地體為基礎，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 接地網入地短路電流

入地短路電流是指電廠內或電廠外發生接地短路時流經接地裝置的電流。一般情況下中性點的運行方式以及發生接地故障時的位置等都會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對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計方案，在設計接地網之前精確地計算出入地短路電流是很有必要的。

2.4.3 接地網材料選擇

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

銅在被腐蝕的過程中表面會產生銅綠，銅綠對其內部的銅起到保護作用，防止了銅的進一步腐蝕。采用鍍鋅鋼就是用鋅來對鋼起到防止腐蝕的作用，但是鋅本身不是良導體，降低了鍍鋅鋼的整體導電能力。在實際施工的過程中發現，銅具有良好的延展性，因此可在一定的范圍之內對其進行彎折，使得鋪設的過程比較方便。對于銅導體之間的連接可以采用火泥熔接，進一步降低了施工的難度。我國由于銅資源比較缺乏，價格較高昂，因此對于一般重要程度的變電站的接地網采用的是鍍鋅扁鋼，雖然性能不如銅，但節約了成本并對銅資源起到了保護的作用。

（1）接地導體性能分析

銅和鋼是目前國內使用最多的兩種接地網材料，而國外基本上都是采用銅及電鍍銅的鋼導體，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都有各自的優缺點，鋼的熱穩定性要比銅好，且價格更加便宜，使用壽命較長，但需要考慮到后期的維護和地網的安全運行問題。而銅比鋼的導電性和抗腐蝕性都強，另外采用銅做接地網可以免去后期維護費用。

（2）接地導體的連接方式

在采用鍍鋅鋼作為接地網時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。

在電站的接地網中存在著大量的金屬導體，這些導體之間的連接方式會影響接地網的性能,尤其是對于銅體與銅體之間的連接以及銅與鋼之間的連接，對于銅材是否能夠發揮好其優良的性能有著重要影響，目前在接地系統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各個模塊之間進行了表面上的連接，在其內部并沒有熔合，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行固定。第3種就是采用螺栓連接，它一般是對壓接線夾方法的補充，對于螺栓的連接需要參照相關的規定進行，這是目前在我國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接地網的耐腐蝕性不利。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的導體連接方法。該方法是將火藥燃燒，使用其產生的熱量，將導體需要連接的部分熔化使其連接為一體。該方法相對于傳統焊接工藝連接點導電性能及機械性能同樣較好。考慮其優良性能，目前火泥熔接的方式已經在我國逐步得到推廣。

（3）接地導體截面選擇

采用鍍鋅扁鋼時，220 kV、110 kV的主接地網與引下線的面積一般選擇為480 mm2；采用銅時，220 kV、110 kV的主接地網與引下線的面積一般選擇為150 mm2。對接地體進行校核時，其最小截面積S需要滿足:Sg≥IgteC其中，Ig是流經引下線的短路電流值，te是短路電流的動作時間，C是引下線材料的熱穩定系數，其值的大小與材料以及允許的最高溫度和初始溫度有關。根據相關規定可知，對于220 kV的單相短路電流，流經引下線的穩定短路電流值Ig其值為50 kA，當考慮到避雷線的工頻分流系數時，其值為25 kA；對于110 kV和220 kV的系統其短路電流的作用時間均為0.7 s。根據GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規范》可以知道，銅的熱穩定系數C=210,對于采用銅材作為接地材料時，銅引下線的截面積Sg:Sg≥250 000.721 0=99.60在采用鍍鋅鋼時，由于鋅的耐腐蝕性高可以對鋼起到保護作用，但是在接地網的接觸部分由于采用了電焊加工，其存在點腐蝕的情況，因此一般鍍鋅鋼能夠在10年以內保證其性能。對于銅材而言，其發生腐蝕時是在其整個表面上進行的，其腐蝕速度只有鋼的1/5左右，在銅腐蝕的同時其表面會產生銅綠(堿式碳酸銅)，該物質的產生能夠有效的阻斷了銅腐蝕的進一步進行，銅的年腐蝕率大約在0.02 mm。對于水平接地網的截面積則根據相關規定取引下線的75%。根據銅材與鋼材之間的差異，在用鋼作為引下線時，其截面積比采用銅作為引下線時大很多。

2.4.4 接觸電壓和跨步電壓

（1）接觸電壓

當人接觸到發生故障的電氣設備外殼時，人的手與兩腳之間便形成一個電位差，這個電位差稱為接觸電壓。在中性點不進行接地處理的系統中，當發生單相接地的故障時，故障電流是以接地點為中心向四周進行擴散的方式通過接地裝置和大地的，正因為這樣大地表面才形成了一個電位分布區，并且分布區內不同點的電位也不同。

（2）跨步電壓

跨步電壓是指電氣設備發生接地故障時，在入地接地電流故障點附近電位分布區行走的人，其兩腳之間的電壓。當跨步電壓達到40～50 V，則在這個電壓所涉及的范圍內的人將會遭受觸電的危險，而且較大的跨步電壓會導致人摔倒，這樣人體所承受的電壓會進一步加大，甚至會觸電死亡。跨步電壓的大小取決于人體離接地點的距離，距離越遠跨步電壓越小，在離接地點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

對于水力發電廠，若需要進行降低接地電阻，應盡量選擇水下接地的方法。水下接地網應注意布置的位置，一般要在水庫蓄水的最低水位以下，且不要設置在水流湍急的地方以及有腐蝕性物質的水域。水下接地網應該與其他接地網之間存在一段距離，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。為了長遠考慮連接時水下接地網與其他接地網之間應采用多根接地線。

3.2 引外接地

根據實測考察如果發現電廠附近的地區土壤電阻率比本區域的低且可以利用時，可以采用引外接地的方法來降低接地電阻。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體截面的措施。

3.3 深井接地

當水力發電廠或附近地區有地下水而地表層土壤電阻率很高時，采用深井接地的方法能很有效地減小接地電阻。采用深井接地時接地體應設置在水位以下或地層中電阻率較低處，同時其水平間距要大于埋設深度，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，當接地網面積不大時可以采用人工降阻的措施來降低接地電阻。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。對于集中接地體宜采用置換材料的方法來降低接地電阻，要因地制宜，就地取材。所用置換材料應是電阻率低、無明顯腐蝕作用的，且應施工簡單，經濟合理，但應注意的是人工降阻材料和降阻劑不宜大面積使用。

根據以上四種降低接地電阻的措施，優先選擇的是水下接地的方法，通過在水下合理布置接地網，成功將站區接地電阻降至0.48Ω，符合標準的要求。

4 總結與展望

伴隨著社會的不斷進步和發展，用電需求不斷增加，因此對電站建設的要求也不斷提高。此外，水電站基本都是建在山區,土壤電阻率較高，安全性的要求使得水電站接地網設計顯得極其重要。伴隨特高壓、大電網技術的不斷成熟應用，電力系統時刻發生著巨大的變化，接地系統設計、施工、運行也日益復雜，接地技術還有很大的提升余地，對于接地網模型的建立還需要進一步提高。而且，伴隨著計算機技術的不斷提升，合理應用計算機智能來進行龐大的接地網理論計算分析是一個很好的發展方向。