大型抽水蓄能電站接地降阻措施的探討

鄭 暉，李 昭，蔡望奇，李既明，鄧杰文，滿超楠

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410076；2.珠海電力設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 珠海 519000；3.科智防雷工程公司，長(zhǎng)沙 410076）

合格的接地網(wǎng)是保證抽水蓄能電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件，接地電阻是接地網(wǎng)主要的技術(shù)指標(biāo)之一。

位于山區(qū)的某大型抽水蓄能電站（以下簡(jiǎn)稱電站），所處地理位置大多為山巖，土壤電阻率較高，2005年對(duì)電站原有接地網(wǎng)測(cè)試顯示平均接地電阻為1.14 Ω，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]中要求，實(shí)際接地電阻值已不能滿足規(guī)程要求，迫切需要對(duì)電站接地網(wǎng)進(jìn)行降阻改造。

1 電站接地電阻超標(biāo)原因分析

1.1 地質(zhì)原因

經(jīng)過(guò)對(duì)電站上、下水庫(kù)周圍地形的實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)電站周邊地形多為巖石山地，土壤多為風(fēng)化石土質(zhì)，固水性能差，沙石粒偏多，導(dǎo)致土壤電阻率非常高，經(jīng)過(guò)對(duì)多處山巖地段的土壤電阻率試驗(yàn)，電阻率一般可達(dá)2000 Ωm以上。

1.2 原接地網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理

原接地網(wǎng)設(shè)計(jì)受到地理?xiàng)l件的局限影響，接地網(wǎng)面積不夠大。接地網(wǎng)由上水庫(kù)地網(wǎng)、引水隧洞接地體、尾水隧道接地體、廠房洞群接地網(wǎng)、500kV開(kāi)關(guān)站區(qū)接地網(wǎng)、下水庫(kù)接地網(wǎng)和若干垂直深井接地極組成，接地網(wǎng)面積：上水庫(kù)約16000 m2，中控樓和開(kāi)關(guān)站區(qū)域8720 m2，下水庫(kù)約51000 m2，地網(wǎng)最大對(duì)角尺寸接近2000 m。影響接地電阻的主要因素是下水庫(kù)接地網(wǎng)，但由于電站下水庫(kù)庫(kù)容較小，水位淺，水下接地網(wǎng)面積不足，且呈狹長(zhǎng)條形，影響了接地網(wǎng)的散流效果，從而也影響了接地電阻的降低。

1.3 接地網(wǎng)腐蝕、斷裂

由于電站原接地網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)12年之久，且缺少日常維護(hù)，各區(qū)域之間都存在不同程度腐蝕和斷裂的情況，導(dǎo)致接地電阻值進(jìn)一步增大。

2 電站地形分析

采用四級(jí)法進(jìn)行了土壤電阻率測(cè)量[2]，下水庫(kù)沿岸電阻率高達(dá)3000 Ω·m左右，庫(kù)水電阻率也較高，且?guī)焖疃群軠\，水面很窄，庫(kù)底基本由巖石構(gòu)成。圍繞上水庫(kù)且距離發(fā)電機(jī)廠房半徑2000 m范圍的地勢(shì)較平坦的地域，可分為區(qū)域1—區(qū)域6共6塊，其中區(qū)域1是西副壩建筑物；區(qū)域2—區(qū)域5分別是竹林、滑雪場(chǎng)、拓展中心、觀景臺(tái)區(qū)域，地勢(shì)平坦，土壤多為粘土，固水性能好；區(qū)域6雖地勢(shì)平坦，但表層多為細(xì)小的沙石，下層為堅(jiān)硬的巖石，植被稀少，土壤固水性能差。6塊區(qū)域的分布圖、土壤電阻率測(cè)量點(diǎn)及測(cè)量方向如圖1所示。

圖1 上水庫(kù)6塊區(qū)域土壤電阻率測(cè)量點(diǎn)及測(cè)量方向

對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別進(jìn)行極間距為5 m，10 m，20 m，30 m，50 m，70 m時(shí)的土壤電阻率測(cè)量，結(jié)果顯示，區(qū)域2—區(qū)域5表層的土壤電阻率在450～700 Ω·m，而在極間距取50 m，即實(shí)測(cè)電阻率深度為37.5 m以下時(shí)，土壤電阻率在1000 Ω·m左右，且逐漸增大，可以推斷出山體下層為巖石地質(zhì)，區(qū)域6土壤電阻率很大，均在2000 Ω·m以上。

3 綜合降阻措施分析

3.1 利用自然接地體降阻

在接地工程中，可以利用混凝土結(jié)構(gòu)物中的鋼筋骨架、金屬結(jié)構(gòu)物以及上下水、金屬管道等自然接地體來(lái)減小接地電阻。區(qū)域1（西副壩建筑物）位于上水庫(kù)西南方，面積8310 m2，距發(fā)電機(jī)廠房直線距離1.35 km，區(qū)域1的地基入地很深，可以將其利用為自然接地體，通過(guò)連接線將其并入主地網(wǎng)，能夠有效的降低主接地網(wǎng)接地電阻。

3.2 采用深井式接地極

當(dāng)土壤為均勻土壤，或者土壤為不均勻土壤，土壤在垂直于地面的方向上分層，且下層土壤的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上層土壤的電阻率時(shí)，可以采用深井式接地極來(lái)降阻。由于下水庫(kù)周邊環(huán)境大部分為巖石山地，深層的土壤電阻率也很高，深井接地?zé)o論是經(jīng)濟(jì)上還是從效果上都難以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。對(duì)于上水庫(kù)區(qū)，由土壤電阻率的測(cè)量結(jié)果可知，其周邊6塊區(qū)域土壤電阻率在垂直于地面的方向上分層，且下層土壤的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上層土壤的電阻率，因此，均不適合采用深井式接地極。

3.3 單個(gè)區(qū)域的外延地網(wǎng)設(shè)計(jì)

上水庫(kù)周邊的區(qū)域2—區(qū)域5地勢(shì)平坦且上層土壤電阻率較低，適合做外延地網(wǎng)，可以通過(guò)在上述區(qū)域做外延地網(wǎng)來(lái)降低主地網(wǎng)接地電阻。

以區(qū)域2為例，區(qū)域2的加權(quán)平均土壤電阻率 ρ2=758.38 Ω·m。

如圖2所示，外引接地體面積為20700 m2，15 m×15 m的網(wǎng)格布置。接地體使用27×12/0.85（標(biāo)稱截面為 120 mm2，計(jì)算外徑為 17.3 mm2）的銅絞線，埋深為1 m。在接地體交點(diǎn)處做垂直接地極，接地極使用長(zhǎng)為1 m的Φ20 mm銅接地棒。將參數(shù)代入有關(guān)公式可求得接地電阻R2=2.72 Ω。

參照區(qū)域2的外延地網(wǎng)設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)區(qū)域3、區(qū)域4和區(qū)域5進(jìn)行外延地網(wǎng)設(shè)計(jì)改造，各區(qū)域改造后的接地電阻值如表1所示。圖3為各區(qū)域的外延地網(wǎng)設(shè)計(jì)及連接圖。

為了保證每個(gè)區(qū)域的可靠連接，各區(qū)域內(nèi)部接地網(wǎng)和各區(qū)域之間均采用3根185 mm2的銅絞線連接，然后通過(guò)2根185 mm2的銅絞線與上水庫(kù)原主接地網(wǎng)連接。連接線電阻值R連接=0.35 Ω，同時(shí)連接線為接地網(wǎng)的射線，起到降阻作用，可計(jì)算出射線降阻R6=1.05 Ω。

圖2 上水庫(kù)區(qū)域2外延接地網(wǎng)

表1 各區(qū)域改造后的接地電阻

圖3 各區(qū)域的外延地網(wǎng)設(shè)計(jì)及連接

3.4 敷設(shè)水下地網(wǎng)

建站之初，因擔(dān)心影響壩基滲漏，沒(méi)有直接在下水庫(kù)區(qū)埋設(shè)接地網(wǎng)，而從交泄洞和導(dǎo)流洞迂回形成1塊接地網(wǎng)，且由于地勢(shì)的限制，原有水下接地網(wǎng)面積不足。由于庫(kù)水電阻率較高，且?guī)焖疃群軠\，水面很窄，庫(kù)底基本由巖石構(gòu)成，對(duì)下水庫(kù)無(wú)法進(jìn)行水下地網(wǎng)敷設(shè)。上水庫(kù)庫(kù)水表面積約為320896 m2，原有地網(wǎng)面積約為16000 m2，敷設(shè)在上水庫(kù)閘門處和水庫(kù)廊道中，可見(jiàn)原有地網(wǎng)利用的面積有限。

由于電站利用電力負(fù)荷低谷時(shí)的電能抽水至上水庫(kù)，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫(kù)發(fā)電，水庫(kù)里的水位不穩(wěn)定，同時(shí)在水庫(kù)竣工之后，庫(kù)底已經(jīng)澆灌了隔水材料和混凝土，考慮到施工難度，無(wú)法在庫(kù)底進(jìn)行擴(kuò)網(wǎng)。

3.5 采用降阻劑人工改善土壤電阻率

施加降阻劑不僅起到降低接地網(wǎng)接地電阻的作用，還能起到防腐蝕和均壓作用。對(duì)于上水庫(kù)的外延地網(wǎng)區(qū)域2—區(qū)域5，由于接地體主干線及接地網(wǎng)連接線為主要的泄流通道，可在周圍敷設(shè)截面為0.2 m×0.2 m的GPF-94a高效膨潤(rùn)土降阻防腐劑，考慮屏蔽因素，均壓網(wǎng)格水平接地體周圍間隔敷設(shè)截面為0.2m×0.15m的和0.15m×0.15 m GPF-94a高效膨潤(rùn)土降阻防腐劑，起降阻、防腐和均壓作用。

3.6 其他措施

針對(duì)原接地網(wǎng)出現(xiàn)的腐蝕、斷裂情況，在對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行改造施工時(shí)，要將接地網(wǎng)腐蝕的部分進(jìn)行更換，對(duì)斷裂的部分重新連接。同時(shí)，在日常運(yùn)行時(shí)要注意維護(hù)，對(duì)電站內(nèi)主接地網(wǎng)要每隔幾年進(jìn)行一次接地網(wǎng)導(dǎo)通測(cè)試，以便發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)整改。

4 降阻方案的計(jì)算分析

4.1 接地電阻驗(yàn)算

改造前，電站原地網(wǎng)的接地電阻值為1.14 Ω，利用上水庫(kù)6塊區(qū)域增設(shè)接地網(wǎng)，各個(gè)區(qū)域的接地電阻值為： R2=2.72 Ω，R3=3.12 Ω，R4=3.64 Ω，R5=1.88 Ω，射線接地體的接地電阻R6=1.05 Ω；連接線總電阻R連接=0.35 Ω，并考慮并聯(lián)系數(shù)，可得R外總=0.82 Ω。并入原地網(wǎng)計(jì)算得出總接地電阻R總=R外總‖1.14=0.48 Ω＜0.5 Ω，符合規(guī)程要求。

4.2 熱穩(wěn)定要求驗(yàn)算

根據(jù)計(jì)算，接地線和接地網(wǎng)主干線的熱穩(wěn)定截面不得小于162.30 mm2，外延接地網(wǎng)與主接地網(wǎng)的連接線及水平接地網(wǎng)主干線（四周）采用27×12/0.85（標(biāo)稱截面為185 mm2，計(jì)算外徑為21.73 mm）的銅絞線。由于接地電流經(jīng)接地引線入外延地網(wǎng)后，由2根長(zhǎng)度為800 m和1200 m的銅絞線分流，考慮電流在2根導(dǎo)體中按3∶2的比例分配，則從熱穩(wěn)定的要求出發(fā)，可以取地網(wǎng)接地導(dǎo)體的截面為接地主干線截面的60%，所以區(qū)域2、區(qū)域3和區(qū)域5的水平接地體采用27×12/0.85（標(biāo)稱截面為120 mm2，計(jì)算外徑為17.38 mm）的銅絞線。

考慮到區(qū)域4外圍沒(méi)有圍欄，接地體容易被盜，所以接地體采用Φ16 mm的鍍鋅圓鋼，同時(shí)在周圍敷設(shè)GPF-94高效膨潤(rùn)土降阻劑，減小腐蝕。經(jīng)后面計(jì)算可得5塊區(qū)域中單塊區(qū)域的接地電阻值相差不大，考慮4塊區(qū)域的分流，那么流入?yún)^(qū)域4的電流最多為總電流的1/4，可得出鋼的熱穩(wěn)定截面積為486.89 mm2，取1/4截面為121.72 mm2，而采用Φ16 mm的鍍鋅鋼，截面積為200.96 mm2，也符合熱穩(wěn)定要求。

4.3 最大跨步電壓驗(yàn)算

以區(qū)域2為例，根據(jù)規(guī)程，可計(jì)算出地面最大跨步電壓Usmax=273.45 V＜656.76 V，滿足跨步電壓的要求。

參照區(qū)域2最大跨步電壓驗(yàn)算的方法，對(duì)區(qū)域3、區(qū)域4和區(qū)域5同樣進(jìn)行了最大跨步電壓的驗(yàn)算，結(jié)果如表2所示，結(jié)果顯示各區(qū)域的最大跨步電壓均符合要求。

表2 各區(qū)域最大跨步電壓校驗(yàn)

5 結(jié)語(yǔ)

該電站接地網(wǎng)存在的問(wèn)題具有普遍性，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，將上水庫(kù)可利用的區(qū)域分成6部分，針對(duì)這6個(gè)區(qū)域和下水庫(kù)不同的環(huán)境和地質(zhì)條件，因地制宜地提出了綜合降阻措施，如利用自然接地體、外延地網(wǎng)、采用降阻劑，及加強(qiáng)日常維護(hù)等。經(jīng)過(guò)計(jì)算校驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)接地改造后的接地電阻值降低到規(guī)程要求值以下，同時(shí)滿足最大跨步電壓和熱穩(wěn)定要求。經(jīng)過(guò)工程改造后，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量電站接地電阻為0.45 Ω，與之前的計(jì)算值誤差很小，且符合規(guī)程要求，經(jīng)濟(jì)有效地解決了電站的接地電阻超標(biāo)問(wèn)題。

[1]DL/T 5091-1999水利發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則[S].北京：中國(guó)電力出版社，1999.

[2]DL/T 475-2006接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則[S].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

[3]李景祿.接地裝置的運(yùn)行與改造[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

[4]何金良.利用周邊地理環(huán)境降低區(qū)域變電所接地電阻[J].中國(guó)電力，2001，34（11）∶50-53.

[5]李景祿，鄭瑞臣.關(guān)于接地工程中若干問(wèn)題的分析和討論[J].高電壓技術(shù)，2006（6）∶122-124.

[6]彭利強(qiáng).寧波110kV裘村變電所接地改造分析[J].電瓷避雷器，2010（3）∶27-30.

[7]敬亮兵.某廠區(qū)變電站接地設(shè)計(jì)與實(shí)施[J].電力建設(shè)，2009（1）∶47-49.

[8]雷豐瑞.沖江河110kV水電站接地改造分析[J].電瓷避雷器，2012（1）∶99-102.

[9]曹斌.水電站接地裝置存在的問(wèn)題分析與改造措施探討[J].高壓電器，2010（9）∶99-102.

[10]許非吾.500kV蘭亭變電所接地網(wǎng)降阻改造[J].高電壓技術(shù)，2008（4）∶839-841.

[11]莊池杰.高土壤電阻率地區(qū)變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)思路[J].高電壓技術(shù)，2008（5）∶893-897.

[12]高新智.針對(duì)某水電站接地網(wǎng)改造方案的探討[J].電瓷避雷器，2010（4）∶30-33，37.