龍灘水電工程接地技術(shù)研究與應(yīng)用

胡鎮(zhèn)良，陸軍，王雨生

(龍灘水電開發(fā)有限公司，廣西天峨547300)

0 概述

龍灘水電站位于廣西天峨縣，距天峨縣城15 km，是紅水河梯級開發(fā)中最大的水電工程。電站前期按正常蓄水位375m建設(shè)，一期裝機7臺，單機容量700MW；后期按正常蓄水位400m設(shè)計，二期增加2臺機組。工程以500kV電壓等級接入電力系統(tǒng)。樞紐工程包括:碾壓砼重力壩、泄洪建筑物、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)以及右岸二級垂直升船機等。其中，引水發(fā)電系統(tǒng)包括:引水隧洞、主廠房、母線洞、主變洞、尾水調(diào)壓井、尾水隧洞、電纜豎井與電纜平洞、開關(guān)站和出線平臺等，除開關(guān)站、出線平臺及中控樓布置在地面外，其他均布置于左岸地下。2007年5月第一臺機組投產(chǎn)發(fā)電，2008年12月一期7臺機組全部投入運行。

1 龍灘水電工程地質(zhì)分析

龍灘水電站壩址區(qū)河谷為較寬坦的“V”型河谷，枯水期河面高程219m，水面寬90～100m，水深13.0～19.5m，河床砂、卵礫石層厚0～6m，局部17 m，地層為三疊系下統(tǒng)羅樓組(T11)和中統(tǒng)板納組(T2b)，T11以薄層、中厚層硅質(zhì)泥板巖、硅質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r為主，總厚度259m，T2b主要以薄～中厚層、厚層砂巖和泥板巖互層巖體，夾層凝灰?guī)r，總厚度219.07m，其中砂巖占68.2%，泥板巖占30.8%，灰?guī)r占1%；T2～42b、T182b、T622b層泥板巖占70%以上，是板納組中強度相對較低的巖層。河床兩側(cè)均有基巖礁灘裸露，左岸寬10m，右岸寬40～70m。

龍灘水電工程壩址地質(zhì)狀況較復(fù)雜，主要以砂巖、泥板巖為主，其中巖石電阻率為100～4000Ω·m，壩址區(qū)河水與河水淺層電阻率為33.3～37.6Ω·m。

2 接地電阻的確定

目前大多數(shù)大型水電站和變電站故障時的入地網(wǎng)電流都超過10kA，根據(jù)《交流電氣裝置的接地》(DL/T-621-1997)的規(guī)定:“有效接地和低電阻接地系統(tǒng)中發(fā)電廠、變電所的接地裝置的接地電阻R一般情況下應(yīng)滿足R≤2000/I”，由此相應(yīng)的接地電阻R須小于或等于0.2Ω，龍灘水電工程地處多巖區(qū)，常規(guī)狀態(tài)下無法滿足接地電阻R小于或等于0.2Ω的要求。

根據(jù)短路電流計算結(jié)果，龍灘水電站最大單相入地短路電流為26.4kA，對有效接地系統(tǒng)，若接地裝置的接地電阻按Ω確定，則當接地電位升高不超過2000V時，允許的接地電阻應(yīng)小于或等于0.076 Ω。龍灘水電站地質(zhì)電阻率為100～4000Ω·m，若滿足接地電位升高不超過2000V的要求，則基本無法進行接地設(shè)計。

通過與武漢大學(xué)合作，采用數(shù)值分析方法對龍灘水電站樞紐的接地進行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn):當?shù)鼐W(wǎng)的接地電位升高值不超過5000V時，二次設(shè)備和電纜均是安全的，因此龍灘水電工程地網(wǎng)的最大電位升高應(yīng)控制在不超過5000V為準。

因此，龍灘水電工程按接地電位升高不超過5000V進行核算，其接地電阻應(yīng)為:R≤5000/I＝5000/264000＝0.189Ω。按此接地電阻值進行設(shè)計、施工應(yīng)是最為經(jīng)濟合理，同時也滿足了安全要求。

3 接地系統(tǒng)方案分析

3.1 已完成接地系統(tǒng)實際狀況

龍灘水電工程接地網(wǎng)主要構(gòu)成:上游圍堰接地網(wǎng)、尾水渠接地網(wǎng)、地下廠房接地網(wǎng)(包括地下主廠房和主變洞等)、500kV開關(guān)站接地網(wǎng)、大壩接地網(wǎng)(包括壩基接地網(wǎng))、進水口及調(diào)壓井接地網(wǎng)、引水發(fā)電系統(tǒng)接地網(wǎng)等。各地網(wǎng)之間相互連接構(gòu)成整個電站的全廠接地網(wǎng)。各區(qū)域接地網(wǎng)充分利用自然接地體，如:壓力鋼管、蝸殼、肘管、閘門槽以及大壩、地下廠房、尾水洞、調(diào)壓井、交通洞等土建結(jié)構(gòu)的鋼筋和錨桿等。

經(jīng)計算及檢測，以上已完成的龍灘水電工程接地網(wǎng)的接地電阻為0.37Ω，不能滿足接地電阻不大于0.189Ω的要求。

3.2 已完成接地系統(tǒng)要點分析

(1)經(jīng)計算表明，在龍灘水電工程大壩左右兩岸搞電阻率地質(zhì)土壤中增大面積接地網(wǎng)，對降低接地電阻收效甚微，即使在岸上增設(shè)一個400m×400m的大型地網(wǎng)，降阻效果仍然不超過20%。因此，除非設(shè)備必須，一般不采用在岸上增設(shè)或擴大地網(wǎng)的辦法來降低電站的接地電阻。

(2)針對敷設(shè)洞群接地網(wǎng)，其地下廠房、主變壓器室、GIS室、尾水調(diào)壓室與尾水洞等均敷設(shè)接地網(wǎng)，并充分利用自然接地體，如錨桿、引水壓力鋼管、閘門槽以及遍布大壩、洞內(nèi)的土建結(jié)構(gòu)鋼筋等。

(3)為加強沖擊電流的散流效果，對500kV出線平臺避雷器及避雷器下引線區(qū)域可布置適量的垂直接地極或充分利用土建結(jié)構(gòu)柱的基礎(chǔ)鋼筋作為沖擊電流散流體，并加強與500kV開關(guān)站接地網(wǎng)的連接。

3.3 龍灘水電工程接地系統(tǒng)實施方案的分析

3.3.1 接地系統(tǒng)方案分析

根據(jù)龍灘水電站樞紐范圍內(nèi)電阻率的分布情況，特別是壩前河水與河水淺層電阻率相對較低的實際情況，為有效降低接地電阻，經(jīng)分析，建議在壩前增設(shè)庫區(qū)接地網(wǎng)，以充分利用低電阻率的河水散流。通過多方案計算，并適當留有裕度，在壩前圍堰上游敷設(shè)約80萬m2的庫區(qū)接地網(wǎng)，可使接地電阻值控制在0.189Ω以內(nèi)。

3.3.2 接地網(wǎng)材質(zhì)分析

根據(jù)總體要求，須綜合耐腐蝕強度及壽價比(壽命/價格)兩方面因素，按技術(shù)經(jīng)濟分析方法確定接地網(wǎng)材質(zhì)的選型。

(1)從耐腐蝕方面分析，建議采用銅材。一般來講，接地網(wǎng)集中存在三個方面的問題:接地體的腐蝕、截面偏小及接地體的連接不良。目前，接地網(wǎng)材質(zhì)有熱鍍鋅鋼、合金鋼、銅材等三種材質(zhì)，其中:熱鍍鋅鋼在一般土壤中年平均腐蝕厚度為0.065 mm，但目前國內(nèi)生產(chǎn)的熱鍍鋅層一般只有0.05～0.06mm，鍍層只有一年的保護作用，若加大截面辦法延長使用年限，則其每年的腐蝕量也增加了，根據(jù)現(xiàn)場預(yù)埋試驗(埋置624天)表明:與接地網(wǎng)連接的鍍鋅鋼腐蝕速率不比不與接地網(wǎng)相連的鍍鋅鋼腐蝕速率高，這是由于熱鍍鋅鋼接地材料在接地網(wǎng)雜散電流作用下，其表面鋅鍍層很快就被電解掉，同時根據(jù)美國金屬學(xué)會《金屬手冊》中也不推薦碳鋼在土壤中的防腐采用金屬涂層、鍍鋅；經(jīng)表面處理的合金鋼CL2作為接地材料，目前尚未見在水電站或變電站接地網(wǎng)中普遍使用，龍灘水電工程作為國家大型重點工程，不建議采用未見大量工程驗證的接地方案；若采用銅作為接地體，無需采用特殊的防腐蝕措施，可一勞永逸的解決接地網(wǎng)腐蝕問題。

(2)從經(jīng)濟角度(壽命價格比)分析，建議采用銅材。以一個220kV變電站接地裝置為例，經(jīng)武漢大學(xué)研究計算，各類材質(zhì)作為接地引下線時的壽價比分別為:熱鍍鋅鋼為1.25，銅材為1.9，因此銅接地裝置壽價比最高，熱鍍鋅鋼一次性投資雖最低，但其壽命也最低。

(3)從以上分析，可知采用銅材作為接地網(wǎng)材質(zhì)，較為適宜，但龍灘水電工程進行庫區(qū)接地網(wǎng)建設(shè)時，銅材價格高達7萬元/t，從經(jīng)濟角度考慮，最終選用了銅包鋼絞線作為接地網(wǎng)材質(zhì)，這樣既保證了接地網(wǎng)材質(zhì)耐腐蝕，同時又降低了總體造價。

4 接地系統(tǒng)實施方案確定

(1)在現(xiàn)有接地系統(tǒng)接地電阻R=0.37Ω基礎(chǔ)上，利用庫區(qū)河水與河水淺層電阻率相對較低的有利因素，在龍灘水電工程庫區(qū)新增80萬mm2接地網(wǎng)，沿兩岸高程250m和高程330m左右縱向各敷設(shè)2根接地線，跨河橫向每隔100m左右敷設(shè)一根接地線，并將該庫區(qū)接地網(wǎng)與原有接地網(wǎng)相連接，最終滿足龍灘水電工程整個接地網(wǎng)系統(tǒng)接地電阻R≤0.189Ω。

(2)為降低龍灘水電工程接地系統(tǒng)接地電阻，采取陰極保護為輔。具體措施為:埋入電位更負的金屬(如鎂、鋅、鋁)作為陽極，與被保護接地網(wǎng)偶連，從而緩解或阻止接地網(wǎng)腐蝕速率，目前已在高程330 m每隔約50m埋設(shè)一套電解接地極，并與沿兩岸敷設(shè)的接地線連接。

(3)為降低庫區(qū)接地網(wǎng)工程造價，經(jīng)研究確定采用185mm2銅包鋼絞線作為接地線，并將庫區(qū)接地網(wǎng)與上游圍堰接地網(wǎng)、壩基接地網(wǎng)和進水口接地網(wǎng)采用銅包鋼絞線連接，同時為保證連接的可靠性并減少接地連接線的阻抗，庫區(qū)接地網(wǎng)與500kV開關(guān)站接地網(wǎng)通過4根185mm2銅絞線連接，與壩頂電纜溝及壩頂配電房接地網(wǎng)通過2根185mm2銅絞線連接。

5 庫區(qū)接地網(wǎng)施工

龍灘水電站于2006年9月開始下閘蓄水，由廣西地凱防雷工程有限公司于2006年9月至2007年2月對庫區(qū)接地網(wǎng)進行施工，水庫水位在高程250 m～高程330m。庫區(qū)接地網(wǎng)中沿兩岸高程250m的接地線采用水上施工，一端固定在大壩上，其余部分用船在水上放線，自然沉庫定位；沿兩岸高程330m接地線為岸上挖槽埋設(shè)，每隔約50m埋設(shè)一套電解接地極并與沿兩岸敷設(shè)的接地線連接，電解接地極采用人工挖槽埋設(shè)。跨河橫向接地線兩岸固定在高程330m以上澆筑好的混凝土固定墩上，一端先在左岸固定然后用船牽引接地線駛向?qū)Π恫⒐潭?，接地線沉入河床底部。接地線的連接方式均采用銅質(zhì)合金熱熔焊劑焊接法。

6 接地系統(tǒng)實測檢驗

測量地網(wǎng)接地電阻有工頻電流法和異頻電流法。對于大型地網(wǎng)接地電阻測量，適用采用異頻電流法。

龍灘水電工程整體接地系統(tǒng)施工完成后，于2007年4月委托廣西桂能科技發(fā)展有限公司進行了接地系統(tǒng)電阻檢測，檢測方式采用電流-電壓表三極直線法，檢測設(shè)備為澳大利亞紅相8000接地電阻測試系統(tǒng)。主地網(wǎng)對角線2060m，試驗電流注入點選在500kV開關(guān)站設(shè)備接地引下線處，電流極距電流注入點9220m，電壓極距電流注入點5090 m，龍灘水電工程整體接地系統(tǒng)實測電阻值為0.168 Ω，小于設(shè)計規(guī)定的0.189Ω。

7 結(jié)語

龍灘水電工程地質(zhì)電阻率高(100～4000Ω·m)，單相入地短路電流大(26.4kA)，按常規(guī)進行的接地設(shè)計無法達到規(guī)程的要求，在確保安全的前提條件下，工頻接地電位升高按5000V控制，利用庫區(qū)紅水河河水與河床淺層電阻率較低(33.3～37.6Ω·m)的有利因素，通過采取在庫區(qū)上游紅水河中敷設(shè)大范圍庫區(qū)接地網(wǎng)并與原有接地系統(tǒng)連接等方式，極大地降低了整體接地系統(tǒng)的接地電阻。按此方案實施的龍灘水電工程接地系統(tǒng)電阻實測為0.168Ω，小于設(shè)計值0.189Ω，滿足了龍灘水電工程接地系統(tǒng)要求。

[1]DL/T5091-1999.水力發(fā)電廠接地設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則[S].中國電力出版社,1999,(11).

[2]DL/T-621-1997.交流電氣裝置的接地[S].中國電力出版社,1997.

[3]程志華.二灘水電站樞紐總體布置[J].水力發(fā)電,1998,(7).