淺談水力發(fā)電廠接地網(wǎng)設(shè)計

李文堅

【摘 要】文章結(jié)合水力發(fā)電廠接地設(shè)計的重要性及設(shè)計原則，論述了接地網(wǎng)設(shè)計的要點、接地電阻的構(gòu)成、水力發(fā)電廠降阻措施等，并結(jié)合工程實踐，闡述了水力發(fā)電廠接地的設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】水力發(fā)電廠；接地電網(wǎng)設(shè)計；接地電阻；一點接地

水力發(fā)電廠接地系統(tǒng)的合理與否直接關(guān)系到人身和設(shè)備安全。在我國，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，水力發(fā)電廠的地質(zhì)情況復(fù)雜，接地系統(tǒng)的設(shè)計越來越復(fù)雜。水力發(fā)電廠接地包含工作接地、保護(hù)接地、雷電保護(hù)接地。工作接地即為電力系統(tǒng)電氣裝置中，為運(yùn)行需要所設(shè)的接地；保護(hù)接地即為電氣裝置的金屬外殼、配電裝置的構(gòu)架和線路桿塔等，由于絕緣損壞有可能帶電，為防止其危及人身和設(shè)備的安全而設(shè)的接地；雷電保護(hù)接地即為雷電保護(hù)裝置向大地泄放雷電流而設(shè)的接地。當(dāng)前，電力系統(tǒng)容量的不斷增加，短路電流也不斷增大，同時，土地資源的緊張也要求站址面積小型化，這些都對水力發(fā)電廠接地設(shè)計提出了較高的要求。因此，水力發(fā)電廠接地網(wǎng)安全除了對接地阻抗有要求外，還對地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、使用壽命、跨步電位差、接觸電位差、轉(zhuǎn)移電位危害等提出了較高的要求。

1.水力發(fā)電廠接地設(shè)計的必要性及原則

1.1接地設(shè)計的必要性

水力發(fā)電廠的接地網(wǎng)上連接著全站的高低壓電氣設(shè)備的接地線、低壓用電系統(tǒng)接地、電纜屏蔽接地、通信、計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備接地，以及水力發(fā)電廠維護(hù)檢修時的一些臨時接地。如果接地電阻較大，在發(fā)生電力系統(tǒng)接地故障或其他大電流入地時，可能造成地電位異常升高。如果接地網(wǎng)的網(wǎng)格設(shè)計不合理，則可能造成接地系統(tǒng)電位分布不均，局部電位超過規(guī)定的安全值，這會給出運(yùn)行人員的安全帶來威脅，還可能因反擊對低壓或二次設(shè)備以及電纜絕緣造成損壞，使高壓竄入控制保護(hù)系統(tǒng)、水力發(fā)電廠監(jiān)控和保護(hù)設(shè)備會發(fā)生誤動、拒動，釀成事故，甚至是擴(kuò)大事故，由此帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。

1.2接地設(shè)計的原則

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，水力發(fā)電廠各級電壓母線接地故障電流越來越大，在接地設(shè)計中要滿足R≤2000/I是非常困難的?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與原接地規(guī)程有一個很明顯的區(qū)別是對接地電阻值不再規(guī)定要達(dá)到0.5Ω，而是允許放寬到5Ω，但這不是說一般情況下，接地電阻都可以采用5Ω，接地電阻放寬是有附加條件的，即：防止轉(zhuǎn)移電位引起的危害，應(yīng)采取各種隔離措施；考慮短路電流非周期分量的影響，當(dāng)接地網(wǎng)電位升高時，3～10kV避雷器不應(yīng)動作或動作后不應(yīng)損壞，應(yīng)采取均壓措施，并驗算接觸電位差和跨步電位差是否滿足要求，施工后還應(yīng)進(jìn)行測量和繪制電位分布曲線。因此，人們普遍認(rèn)為，110kV及以上變電所中，接地電阻值小于0.5Ω的合格，大于0.5Ω就是不合格，不管短路電流有多大都不必采取措施，這是不合理的。水力發(fā)電廠接地網(wǎng)設(shè)計時應(yīng)遵循以下原則：

（1）盡量采用建筑物地基的鋼筋和自然金屬接地物統(tǒng)一連接地來作為接地網(wǎng)。

（2）盡量以自然接地物為基礎(chǔ)，輔以人工接地體補(bǔ)充，外形盡可能采用閉合環(huán)形。

（3）應(yīng)采用統(tǒng)一接地網(wǎng)，用一點接地的方式接地。

2.接地網(wǎng)設(shè)計的要點

（1）接地網(wǎng)的接地電阻主要與接地網(wǎng)的面積有關(guān)。加在地網(wǎng)上的2～3m的垂直接地極，對減小接地電阻的作用不大，一般僅在避雷器、避雷針（線）等處作加強(qiáng)集中接地散泄雷電流用或為穩(wěn)定地網(wǎng)在中間或外緣增設(shè)幾個。

（2）接地網(wǎng)孔大于16個（均壓要求除外），接地電阻減小很慢，對大型接地網(wǎng)，網(wǎng)孔個數(shù)也不宜大于32個。過分增加均壓帶根數(shù)并不能無限制的減小最大接觸系數(shù)，實驗研究最大接觸系數(shù)最多只能減小到0.1～0.15。

（3）接地網(wǎng)埋深達(dá)一定時，接地電阻減小很慢，一般取0.6～0.8m。

（4）在小面積地網(wǎng)內(nèi)，采用置換或化學(xué)方法改善接地體附近的高土壤電阻率，對減小接觸電阻有效果，對減小接地電阻作用不大。

（5）接地網(wǎng)的四角做成圓弧形可以顯著改善接地網(wǎng)外直角處的跨步電勢。

3.水力發(fā)電廠降阻措施

3.1水力發(fā)電廠接地電阻

規(guī)范中嚴(yán)格規(guī)定電力系統(tǒng)各種接地裝置的電阻值，接地網(wǎng)的設(shè)計就是以此為目標(biāo)值。接地網(wǎng)的電阻由以下幾個部分構(gòu)成：接地引線電阻，是指由接地體至設(shè)備接地母線間引線本身的電阻，其阻值與引線的幾何尺寸和材質(zhì)有關(guān)；接地體本身的電阻，其電阻也與接地體的幾何尺寸和材質(zhì)有關(guān)；接地體表面與土壤的接觸電阻，其阻值與土壤的性質(zhì)、顆粒、含水量及土壤與接地體的接觸面積及接觸緊密程度有關(guān)；從接地體開始向遠(yuǎn)處（20米）擴(kuò)散電流所經(jīng)過的路徑土壤電阻，即散流電阻。決定散流電阻的主要因素是土壤的含水量。

接地電阻雖由四部分構(gòu)成，但前兩項所占接地電阻值的比例甚微，起決定作用的是接觸電阻及散流電阻。

3.2水力發(fā)電廠降阻措施

了解接地網(wǎng)電阻構(gòu)成，在設(shè)計中可以在主要影響接地網(wǎng)電阻的環(huán)節(jié)采取相應(yīng)的措施，以降低接地網(wǎng)的電阻值的目的。一個接地網(wǎng)的接地電阻的大小，由公式R=ρε/C可以看出，降低接地電阻有以下兩種途徑，一是增大接地體幾何尺寸，以增大接地體的電容C；二是改善地質(zhì)電學(xué)性質(zhì)，減小土壤的電阻率和介電系數(shù)ε。水力發(fā)電廠電氣接地裝置主要敷設(shè)以水平接地極為主的人工接地網(wǎng)，人工接地網(wǎng)的外緣閉合，各角做成圓弧形，土壤電阻率ρ和地網(wǎng)面積S是影響接地電阻的主要因素，了解這些原因有利于針對不同情況因地制宜改善接地裝置。

在實際工程中常用降阻措施有：采取不等間距布置來均衡地網(wǎng)電位；電位隔離；利用地質(zhì)鉆孔埋設(shè)長接地極；水平接地帶換土與加降阻劑交替使用；長垂直接地極加降阻劑；利用地下水的降阻作用；引外接地；所內(nèi)超深井接地；利用架空地線桿塔接地系統(tǒng)。

以上方法均有成功經(jīng)驗，在工程中可以根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。

4.工程實踐

110kV株樹橋水力發(fā)電廠站址場地層主要由耕表土和卵石層組成，其中耕表主要由粘土組成，層厚為0.15～0.60m。卵石層主要由砂巖卵石組成，層厚7.40～10.33m。土壤電阻率平均值ρ=650Ω·m。針對這一實際的區(qū)域地質(zhì)實況，在接地網(wǎng)設(shè)計過程中，站內(nèi)除采用-50mm×5m熱鍍鋅扁鋼敷設(shè)5m×5m的水平網(wǎng)格作為基礎(chǔ)地網(wǎng)和埋設(shè)∠50×5×2500熱鍍鋅角鋼垂直接地體外，還采取接地深井配合降阻劑措施，即在水力發(fā)電廠圍墻4個角，設(shè)置4孔Φ150mm×30m接地深井，同時在水力發(fā)電廠圍墻中間，距離水力發(fā)電廠圍墻1m處設(shè)置4孔Φ150mm×20m接地深井，接地深井內(nèi)埋設(shè)Φ50×5mm×30m（20m）熱鍍鋅鋼管做垂直接地體，垂直接地體埋深0.8m。每孔接地深井內(nèi)采用壓力灌漿工藝灌注3000kg優(yōu)質(zhì)稀土物理長效降阻劑。同時，使用50×5mm熱鍍鋅扁鋼做接地連接導(dǎo)體，將垂直接地體與常規(guī)敷設(shè)的接地網(wǎng)水平接地體焊接，并在焊接部位做防腐處理。接地連接導(dǎo)體埋深0.8m，每米添加20kg優(yōu)質(zhì)稀土物理長效降阻劑。

該接地網(wǎng)完工后接地電阻測量為0.7歐姆，滿足設(shè)計要求值。在地質(zhì)條件較差的區(qū)域，采用多種措施相結(jié)合降低其接地電阻值是十分有效的。

5.結(jié)語

接地網(wǎng)的設(shè)計要根據(jù)區(qū)域的地質(zhì)條件，采取不同的降阻措施，以最高性能價格比來設(shè)計其接地網(wǎng)，同時應(yīng)采用新技術(shù)和新材料。接地技術(shù)是一門多學(xué)科的綜合技術(shù)，故在今后的工作中去研究，在實踐中不斷探索，以使其更加趨于完善，保證水力發(fā)電廠設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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