国外发电厂接地网的设计及安全性能评估

邹 杰 陈 平 魏华栋 于明辉

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南250013）

0 引言

国外发电厂的设计项目越来越多，我国国家标准GB往往不被接受，其中，大部分国外项目都明确要求按照IEEE标准进行设计［1］。

目前，国内接地系统的设计以接地电阻的计算为主要内容，而对发电厂地表的电位分布、接触电压、跨步电压只是简单校验。接地网设计较简单，还处于经验设计阶段，利用简单公式进行计算，无法评估全厂范围内不规则形状的地网的安全性。本文以菲律宾某燃煤电站的接地网为例，介绍应用CDEGS软件进行涉外发电厂工程的接地网安全性能评估的方法。

1 CDEGS软件简介

CDEGS 是 Current Distribution、Electromagnetic Field、Grounding and Soil Structure Analysis（电流分布、电磁场、接地和土壤结分布）的缩写，由加拿大SES公司（Safe Engineering Services ＆ Technologies Itd.，安全技术工程服务有限公司）出品。该软件为接地、电磁场、交直流电磁兼容，以及阴极保护等问题服务，具有多种组件高度集成以及多功能的通用软件工具，能够计算并分析各种接地系统参数，如地表电位、接触电压、跨步电压、接地阻抗、故障电流分布，在电力系统中用途十分广泛［2－3］。

其中，发电厂接地网设计中用到的MALZ模块是频域接地分析模块，通过其仿真，可得到如下数据［4］：（1）空间磁场分布；（2）导体与土壤电位分布，包括观测范围内各点的接触电压和跨步电压分布情况；（3）各段导体中电流大小及方向的分布。

2 主接地网的设计及其安全性能评估

2.1 全厂接地网的布置

一个安全的接地系统，除了需要保证设备良好接地外，还应满足人体耐受的接触电压和跨步电压的要求。

由于发电厂的接地网面积较大，当发生接地短路时，接地网的阻抗比例增大，进行接地系统分析时，应考虑接地网的阻抗特性，国内常规的手算法无法计算，需借助强大的计算软件进行分析。CDEGS软件的MALZ模块可以准确模拟复杂结构土壤中大型的金属接地网。

为了分析发电厂全厂范围内接地系统的安全性，需要首先建立发电厂全厂接地系统的3D模型。图1为整个发电厂接地系统的3D图。

厂内高、中、低压系统分别发生接地故障时，中压系统为高阻接地系统，只有很小的短路故障电流，低压系统为直接接地系统，短路电流较大，但仅在接地网及变压器接地中性点之间形成环流，对于地电位升、接触电压、跨步电压影响较小。由于高压系统的故障电流有两个来源，一部分来自于发电机，另一部分来自于系统侧，来自于发电机的短路电流经主变压器的中性点和地网形成环流，因此真正引起危险的是来自于经过分流的系统侧入地电流。由于危险的入地电流发生于升压站侧，考虑接地网导体阻抗后，升压站及变压器区域最接近于故障点，此处应设置较密的水平接地导体。

图1 发电厂接地系统3D布置图

2.2 高压系统短路电流的分布及入地电流的计算

电厂高压侧发生接地故障时，短路电流分布示意图如图2所示。

图2 接地故障接线示意图

根据GB50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》标准计算入地电流公式为：

式中，Df为整个故障时间内的衰减系数。

Ig的计算分为厂内和场外故障两种情况，厂内故障时：

式中，Imax为最大故障电流有效值（kA）；In为流经厂内设备中性点的电流（kA）；Sf1、Sf2为厂内外发生故障时的分流系数［5］。

由此可见，国内算法中，计算入地电流时，直接将变压器中性点的环流减去，这样会使接触电压和跨步电压的计算值偏小。

以上述发电厂工程为例，厂内最大接地故障电流为49.5kA，变压器中性点环流为11kA，线路分流系数为0.68，利用CDEGS软件的MALZ模块的安全评估结果如下：

（1）不考虑变压器环流，入地电流为：

软件计算后：最大接触电压1 604.37V，最大跨步电压为250.277V。

（2）考虑变压器环流，在 MALZ模块中，分别输入两个激励，一个为升压站区域流入地网的电流IFS＝Ig＋In＝26.18＋11＝37.18kA，另一个为变压器中性点区域流出地网的电流It0＝11kA，软件计算后：最大接触电压1 653.701V，最大跨步电压为275.574V。

由此可见，计入变压器中性点环流后，同样一个地网的接触电压和跨步电压值都较高，因此，考虑变压器环流后设计的地网会更加安全。

2.3 接地系统安全性评估

基于IEEE80的标准，接触电压及跨步电压安全值依据以下参数计算得出：方法标准 ANSI／IEEE Standard 80，人体重50kg，人体电阻值1 000Ω，X／R比值30，故障清除时间0.5s，表层土壤电阻率508.6Ω·m（按干季土壤结构确定）。当升压站内发生接地故障时，50kg人体最高耐受接触电压值仅为273.5V，而全厂最高接触电压值达到了1 653.701V，远远高于安全限值，全厂接触电压分布如图3所示。

图3 全厂接触电压分布图

由图3可见，发生危险的最高接触电压的位置主要集中于升压站边缘位置。此时接地系统是不安全的，需要优化接地网的设计。优化途径有两种，一是可以在高危险区域增加水平接地导体和垂直接地棒；二是铺设高阻地面，提高人体的耐受电压。

进一步优化接地网的布置，并在土壤表层铺设了电阻率为8 500Ω·m、厚度为15mm的碎石后，电位差安全限值提高，接触电压和跨步电压均满足接地网的安全性能要求，即最终设计的优化地网为安全地网。具体仿真数据如表1所示。

表1 接地网电位差及安全限定值

3 结语

国外发电厂工程的业主对于接地网的安全性能要求较高，应用CDEGS软件进行接地网的设计及安全性评估，容易通过业主工程师审查。

采用IEEE标准设计涉外发电厂工程接地系统的步骤可概括为以下3步：（1）全厂主接地网的初始布置；（2）接地网入地电流的计算；（3）对初始接地网进行安全性能评估，如不满足要求，进一步优化设计方案，直至满足电压安全限值为止。

［1］周建，路平，王锋，等.采用IEEE标准设计发电厂升压站接地网的研究［J］.华东电力，2010，38（8）：1251－1254.

［2］徐华，李思南.利用CDEGS软件诊断接地网联通状态［J］.浙江电力，2008，30（6）：33－36.

［3］牛晓民.电力系统接地分析软件CDEGS简介［J］.华北电力技术，2004，34（12）：29－31.

［4］张大宁，刘冉，蔡静，等.变电站接地网缺陷诊断系统［J］.东北电力技术，2014（2）：54－57.

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