山灣子風(fēng)電場(chǎng)110kV升壓站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)

董 杰

山灣子風(fēng)電場(chǎng)110kV升壓站系該風(fēng)電場(chǎng)110kV屋外配電裝置的運(yùn)行場(chǎng)地,海拔高程1760m,占地約120m×90m。

場(chǎng)址土壤電阻率測(cè)量方法采用對(duì)稱四極測(cè)深法,整個(gè)風(fēng)場(chǎng)地質(zhì)資料表明,其場(chǎng)地地層為第三系漢諾壩強(qiáng)風(fēng)化玄武巖,實(shí)測(cè)視電阻率變化范圍為119～419Ω?m。根據(jù)升壓站外各風(fēng)機(jī)位置的地勘資料,風(fēng)電場(chǎng)(機(jī)位測(cè)區(qū))共26個(gè)測(cè)深點(diǎn),土質(zhì)分布均勻,視土壤電阻率65～349Ω?m,多數(shù)在180Ω?m左右 。

升壓站僅有3個(gè)測(cè)點(diǎn),其中供電極距AB/2＞3 m,共24個(gè)數(shù)據(jù),上限段數(shù)值300～406Ω?m共計(jì)5個(gè)數(shù)值,其余分布在162～279Ω?m范圍內(nèi)(見(jiàn)表1)。

表1 升壓站地質(zhì)探孔視土壤電阻率表Ω?m

由表1看出,升壓站視土壤電阻率幅度變化較小,均在400Ω?m以下,但是升壓站控制樓基礎(chǔ)最先施工時(shí),場(chǎng)地開(kāi)挖中發(fā)現(xiàn)地表巖石頗多,疑似該升壓站的土質(zhì)與站外風(fēng)機(jī)位的資料大相徑庭。

按著地質(zhì)報(bào)告的論述,第四系厚度變化范圍為0～3.0m,成分以碎石夾粉土或粉土為主,各點(diǎn)厚度不一?；椎貙有鋷r風(fēng)化過(guò)程較強(qiáng),電阻率較穩(wěn)定。

在進(jìn)入工程的施工設(shè)計(jì)階段,一般應(yīng)按下列程序,逐步進(jìn)展。

(1)根據(jù)電力系統(tǒng)中性點(diǎn)工作制,選擇接地電阻值。

(2)根據(jù)土壤勘測(cè)資料估計(jì)土壤電阻率。

(3)根據(jù)選擇的接地電阻值及估計(jì)的土壤電阻率,設(shè)計(jì)升壓站接地網(wǎng)。

(4)地網(wǎng)敷設(shè)回填土后,進(jìn)行接地電阻測(cè)量及驗(yàn)證。

1 升壓站接地網(wǎng)接地電阻值的選擇

要確定升壓站接地網(wǎng)的電阻值,首先要進(jìn)行升壓站110kV單相短路電流的計(jì)算,該風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)情況簡(jiǎn)述如下。

按著本工程建成后5～10年,山灣子風(fēng)電場(chǎng)升壓站是通過(guò)一回110kV(LGJ-240)40km線路,將風(fēng)電場(chǎng)電能送向中心變電站——普發(fā)220kV升壓站。普發(fā)升壓站是連接3、4個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的電能匯集站。普發(fā)站又通過(guò)一回220kV(LGJ-2×400)45km線路,將470mW的電能送入電力系統(tǒng)的樞紐站——220kV木蘭站(見(jiàn)圖1)。

圖1 圍場(chǎng)風(fēng)電場(chǎng)群規(guī)劃設(shè)計(jì)圖

普發(fā)一期的1#主變壓器為220kV三繞組有載變壓器,容量180MWA,短路阻抗參數(shù):U高-低=23%,U高-中=14%,U中-低=8%。為便于短路電流計(jì)算,簡(jiǎn)化計(jì)算網(wǎng)絡(luò)圖如圖2。

圖2 山彎子風(fēng)電場(chǎng)短路電流計(jì)算網(wǎng)絡(luò)圖

此時(shí)將木蘭站視為無(wú)窮大系統(tǒng)(規(guī)劃的傳輸容量2×184.2mW),即認(rèn)為短路電流的周期分量在整個(gè)短路過(guò)程中保持不變。這是基于電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償是按分層分區(qū)和就地平衡原則設(shè)計(jì)的,并能隨電壓進(jìn)行調(diào)整,實(shí)際是將木蘭站220kV母線看成恒壓源,即當(dāng)山灣子升壓站110kV母線發(fā)生單相短路時(shí),不會(huì)對(duì)木蘭站220kV母線側(cè)的電壓有多大影響,這樣的計(jì)算假設(shè)較為合理。升壓站110kV母線單相短路電流的序網(wǎng)計(jì)算見(jiàn)圖3。

圖3 序網(wǎng)計(jì)算圖

2 合理估計(jì)土壤電阻率

由于升壓站內(nèi)地勘資料匱乏(僅3個(gè)測(cè)井),場(chǎng)地平整中又多見(jiàn)巨大巖石塊,在地表觀察和地質(zhì)推斷相矛盾時(shí),而且第四系土壤電阻率值119～419Ω?m,為穩(wěn)妥起見(jiàn)設(shè)計(jì),取高限測(cè)量值 ρ0=300Ω?m,考慮測(cè)量前土壤比較干燥,季節(jié)系數(shù)λ取1.35,這樣最終設(shè)計(jì)用土壤電阻率ρ=405Ω?m。

根據(jù)升壓站屋外配電裝置布置要求,采用水平復(fù)合接地網(wǎng)形式,近似等間距布置,水平接地體選擇為60mm×6mm的鍍鋅扁鋼,水平接地體埋深0.8m,橫向8根,豎向8根,垂直接地體為長(zhǎng)度2.5m的鍍鋅鋼管,共64根。接地網(wǎng)平面布置圖如圖4。

經(jīng)計(jì)算,由于場(chǎng)地面積小,土壤電阻率高,接地電阻的理論值R=2.421Ω。超過(guò)規(guī)程計(jì)算值近1倍,不能滿足接地規(guī)程的要求。

圖4 升壓站接地網(wǎng)總圖(單位:mm)

地網(wǎng)的接地電阻主要和升壓站的面積有關(guān),本工程升壓站面積100m×70m,而且面積也不會(huì)再增加,本工程采取了接地模塊與外引接地兩種措施,使地網(wǎng)的電阻減小。

3 接地模塊的引入

在升壓站接地網(wǎng)內(nèi)外,不乏采用化學(xué)方法來(lái)改善接地電阻,本工程經(jīng)調(diào)研采用了碳棒(模塊)為垂直接地極,其原理是石墨具有較好的電子導(dǎo)電性能,由于接地方式不具腐蝕性,對(duì)環(huán)境不會(huì)造成污染,能保持電性能的長(zhǎng)效性。其主要優(yōu)點(diǎn)如下。

(1)具有穩(wěn)定的降阻效果和長(zhǎng)效性。

(2)降阻效果明顯。

(3)價(jià)格較便宜。

(4)安裝方便,減少施工工作量。其數(shù)學(xué)模型是:

式中,ρ1為炭的電阻率,ρ2為現(xiàn)場(chǎng)的土壤電阻率。

施工中對(duì)回填土提出了工藝要求,回填土采用電阻率低的田園土。

接地模塊是一種內(nèi)防腐外降阻的復(fù)合接地體,內(nèi)為金屬電極芯棒,由高鋁硅酸鹽凝固成防腐體,再與電極導(dǎo)電材料混凝成復(fù)合接地模塊。其機(jī)理是如下。

(1)加大了接地體導(dǎo)流的有效直徑。

(2)降低接地體與土壤接觸電阻。

(3)具有吸水保濕功能,降低了周邊土壤電阻率。

本工程在橫縱接地扁鋼的交叉點(diǎn)設(shè)置接地模塊,共放置60塊模塊?？紤]接地模塊間的屏蔽作用,采用公式R=R單/n×η進(jìn)行修正,修正系數(shù)η取0.55,修正后的接地網(wǎng)總電阻為1.09Ω,大于地網(wǎng)要求值1.08Ω。接地電阻還沒(méi)有達(dá)到要求,為此,又采用了外延接地極的方式。

4 外延接地極

在對(duì)變電所周圍進(jìn)行認(rèn)真的勘探后,發(fā)現(xiàn)升壓站西側(cè)土壤電阻率相對(duì)較低適合做引外接地,因此做了2條放射狀水平接地體,長(zhǎng)度30m,在水平接地體上加裝了6塊接地模塊,經(jīng)計(jì)算升壓站總接地電阻為1.03Ω,小于1.08Ω,滿足規(guī)程要求。

加裝接地模塊與引延接地形式相結(jié)合,是土壤電阻率相對(duì)較高、面積較小的升壓站接地的較好的方案,適合風(fēng)場(chǎng)升壓站的特點(diǎn)。

該工程如期竣工,經(jīng)多次測(cè)量,升壓站接地網(wǎng)工頻電阻符合設(shè)計(jì)要求(升壓站的電氣安裝人員曾測(cè)試過(guò)為0.8Ω,電力部門在雨后一周測(cè)量為0.2Ω)。

經(jīng)計(jì)算其電位差和跨步電位差如表2。

表2 電位差和跨步電位差

由表2可知最大接觸電位差與對(duì)地跨步電壓均滿足要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

縱觀該工程的設(shè)計(jì)及施工的過(guò)程,此例可借鑒的經(jīng)驗(yàn)如下。

(1)對(duì)升壓站的土質(zhì)分布,根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告的概率分析來(lái)做判據(jù),盡管有的探孔其數(shù)據(jù)有發(fā)散性,但從區(qū)域性地質(zhì)判斷土壤電阻率還是可用的,也是符合正態(tài)分布規(guī)律的。

(2)從我國(guó)電力等行業(yè)使用輔助降阻劑來(lái)說(shuō),接地模塊是比較經(jīng)濟(jì)的較成熟的產(chǎn)品,其理論估算值有一定的可用性。

(3)對(duì)面積較小、土壤電阻率稍高的升壓站采用模塊與外引接地的接地方式是一種可以推薦的方案,經(jīng)濟(jì)適用。

(4)單相短路電流計(jì)算,對(duì)風(fēng)電場(chǎng)工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),由于較難得到合理又實(shí)用的系統(tǒng)參數(shù),應(yīng)根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)摸索出一套可用的計(jì)算辦法。

1 DL/T621—1997,交流電氣裝置的接地[S].