格鬧河水電站接地系統(tǒng)與防雷過電壓保護(hù)設(shè)計

□郭 艷（貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院）

1 電站概況

洛澤河屬長江流域金沙水系橫江的一級支流，發(fā)源于貴州省畢節(jié)地區(qū)威寧縣楊梅南屯頭，烏蒙山北麓，流向西北，經(jīng)六洞橋進(jìn)草海，入溶洞至罐子窯，沿威寧、赫章兩縣邊界，向北流經(jīng)羊街，折西至橫波以下沿云貴兩省邊界西北流至板橋，左岸接納支流拖洛河后，在熊家溝處向北進(jìn)入云南省。在貴州出省界以上河段稱白水河（云貴界河段長29.80 km），進(jìn)入云南省彝良縣始稱洛澤河，于云南大關(guān)縣匯入橫江。全流域面積5380 km2，多年平均流量65.90m3/s，河道總長156.20 km，天然落差1509m，其中，貴州省境內(nèi)流域面積為2874 km2。洛澤河干流規(guī)劃的三個梯級水電站分別為紅軍橋、格鬧河、云貴橋，其中云貴橋水電站已于2014年建成投產(chǎn)。

格鬧河水電站工程樞紐由攔河大壩、壩身泄洪建筑物及地面式廠房組成。擋水建筑物為混凝土單曲拱壩，最大壩高48m，水庫總庫容182萬m3；工程任務(wù)為發(fā)電，電站裝機容量64MW，多年平均發(fā)電量2.34億kW·h。

格鬧河水電站發(fā)電機電壓側(cè)接線采用發(fā)電機-變壓器組單元接線，發(fā)電機單機容量為32MW，通過封閉母線與容量為40MVA的升壓變壓器相連。高壓側(cè)電壓等級為110 kV，采用單母線接線。110 kV配電裝置采用SF6全封閉組合電器。

電站大壩距離電站廠房約11 km，由于廠房所在位置沿河兩岸地勢較陡，山高谷深，山勢陡峻，因此格鬧河水電站地面廠房沿河岸布置，采用“一”字型布置方案，副廠房布置在主廠房下游側(cè)，110 kV配電裝置采用戶內(nèi)GIS，布置在副廠房頂層，出線桿塔布置在副廠房頂。

2 氣象及地質(zhì)情況

洛澤河流域?qū)賮啛釒Ц咴瓭駶櫦撅L(fēng)氣候。據(jù)威寧縣氣象站歷年資料統(tǒng)計：多年平均氣溫10.40℃，極端最高氣溫30.60℃（1963年5月29日），極端最低氣溫-15.30℃（1977年2月9日）。多年平均降水量914.50mm，年平均相對濕度80%，雷暴日數(shù)66.40 d，屬多雷區(qū)。電站廠房的地基以灰?guī)r、頁巖為主，屬于高電阻率區(qū)。

3 接地設(shè)計方案

3.1 接地的重要性

水電站的接地是電站電氣一次設(shè)計中的重要部分，是將電站防雷接地、工作接地、保護(hù)接地等統(tǒng)一連接在共同的接地網(wǎng)上，使全站成為一個等電位體。

近年來，偶有電站因為接地不良而雷擊壞設(shè)備、擊壞二次設(shè)備等事故發(fā)生。由于水電站一般建在山區(qū)，地形復(fù)雜，地勢險峻，造成接地網(wǎng)的面積受限，因此應(yīng)積極研究電站接地方案，采取有效合理有效的辦法降低接地電阻，保證電站的安全運行，保障運行人員和電氣設(shè)備的安全。

3.2 接地系統(tǒng)設(shè)計

電站接地使用一個統(tǒng)一接地網(wǎng)，采用人工接地體和自然接地體相結(jié)合的方式。根據(jù)《交流電氣裝置的接地》的要求，接地電阻的計算公式為：R≤2000/IΩ，式中：R—考慮到季節(jié)變化的最大接地電阻（Ω）；I—接地裝置的最大入地短路電流，（A）。

按相關(guān)導(dǎo)則及其他水電站工程經(jīng)驗取值，流經(jīng)接地裝置入地短路電流為I=9.70×0.60=5.82 kA（電站110kV母線單相短路電流IZ=9.70 kA）；計算得到接地電阻R≤0.34Ω?？紤]到本工程土壤電阻率較高，達(dá)到計算接地電阻值較困難，將地電位升高按5000 V考慮，則計算得到R≤0.86Ω。

3.2.1 主接地網(wǎng)

電站主接地網(wǎng)由自然接地體和人工接地網(wǎng)兩部分組成。自然接地體利用引水系統(tǒng)的鋼管和鋼筋、供排水管、機組蝸殼、尾水管、水工構(gòu)筑物的金屬構(gòu)架等。自然接地體和人工接地網(wǎng)之間至少用兩根接地干線連接，接地線采用截面為50mm×6mm的鍍鋅扁鋼或直徑18mm的鍍鋅圓鋼。全站主廠房、副廠房的接地網(wǎng)連接形成一個統(tǒng)一的接地系統(tǒng)。

主、副廠房均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在墻和地板中預(yù)埋多根接地干線，并與混凝土中φ18以上的鋼筋牢固焊接，使得廠房各層接地網(wǎng)上下并聯(lián)貫通，形成立體接地網(wǎng)。廠房內(nèi)各級電壓的電氣設(shè)備采用暗敷與水平接地干線相連接。重要電氣設(shè)備的工作和保護(hù)接地線的連接不少于兩處。

格鬧河水電站壩區(qū)與廠房相距約11 km，不考慮將格鬧河壩區(qū)接地網(wǎng)作為廠房接地系統(tǒng)的引外接地網(wǎng)，壩區(qū)接地將作為獨立的接地網(wǎng)。

3.2.2 大接地系統(tǒng)

云貴橋水電站屬洛澤河流域梯級開發(fā)的第三級水電站，其壩區(qū)距離上游格鬧河水電站僅約500m。云貴橋水電站的接地系統(tǒng)主要由廠房接地網(wǎng)、壩區(qū)接地網(wǎng)組成，經(jīng)現(xiàn)場實測，云貴橋電站接地系統(tǒng)的接地電阻值為0.88Ω。為了降低格鬧河水電站的接地電阻，將與云貴橋水電站接地系統(tǒng)可靠相連，最終形成“云貴橋廠房接地網(wǎng)—云貴橋壩區(qū)接地網(wǎng)—格鬧河廠房接地網(wǎng)”的大接地系統(tǒng)，有效降低兩站接地電阻。

由于水電站地理位置的局限性及地質(zhì)情況的特殊性，在水庫中敷設(shè)水下接地網(wǎng)成為降低水電站工頻接地電阻重要和必要的措施。水的電阻率較小，貴州省內(nèi)河流水的電阻率一般在50Ω·m左右，由云貴橋水電站接地系統(tǒng)設(shè)計可知，已在壩前庫底敷設(shè)了一個采用50mm×6mm的鍍鋅扁鋼焊接成的面積為80m×60m的水下接地網(wǎng)，其中有20m×20m的網(wǎng)格共計12個，采用鉆孔錨樁固定水下接地網(wǎng)，并用大石壓住。另外，云貴橋水電站采用混凝土重力壩，浸泡在水中的鋼筋混凝土的導(dǎo)電率接近水的導(dǎo)電率，因此利用大壩混凝土面板中的結(jié)構(gòu)鋼筋，將其焊接成網(wǎng)孔為25m×25m的接地網(wǎng)，預(yù)埋接地扁鋼與之牢靠焊接。引出4根接地干線向上與壩頂接地網(wǎng)相連，同時向下引出4根接地干線與庫區(qū)水下接地網(wǎng)可靠相連，形成統(tǒng)一的壩區(qū)接地網(wǎng)。最終大壩接地網(wǎng)與云貴橋主廠房接地網(wǎng)直接通過2根接地干線連接。

經(jīng)上述分析可知，僅靠格鬧河電站廠房部位敷設(shè)接地網(wǎng)肯定不能滿足接地電阻≤0.86Ω 的要求，于是為了降低格鬧河水電站的接地電阻，將從副廠房變壓器室高程引出2根接地干線，埋設(shè)于公路兩側(cè)敷設(shè)至下游云貴橋水電站壩區(qū)，與壩區(qū)現(xiàn)有接地網(wǎng)牢固相連。這樣就將兩個相互獨立的接地網(wǎng)并聯(lián)成為一個閉合的大接地系統(tǒng)。

3.2.3 均衡地位接地在主、副廠房的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中沿廠房柱內(nèi)，每隔4～5m距離選定1～2根垂直鋼筋與房頂及地板內(nèi)表層水平鋼筋焊牢，從而形成一個屏蔽網(wǎng)，它們與接地干線的連接使整個結(jié)構(gòu)地位均衡。此外在GIS室、高壓開關(guān)室、110 kV出線場內(nèi)敷設(shè)方孔均壓網(wǎng)。

3.2.4 GIS接地

為了保證GIS外殼可靠接地，GIS采取多點接地方式，并設(shè)置專用的接地母線，所有外殼接地引線應(yīng)直接接在接地母線上，接地母線兩端與接地網(wǎng)相連。

3.3 接地電阻測算

根據(jù)格鬧河水電站樞紐布置可知，廠房布置位置地勢狹窄，110 kV配電裝置采用GIS，出線場布置在副廠房屋頂上，并且格鬧河壩區(qū)相距廠房較遠(yuǎn)。這樣，既無大面積的升壓站用來敷設(shè)人工接地網(wǎng)，也不能將本站壩區(qū)接地網(wǎng)作為外延接地網(wǎng)。經(jīng)計算，廠房各層的接地網(wǎng)面積共為104m2，根據(jù)《交流電氣裝置的接地》中人工接地體的工頻接地電阻的估算公式

式中：R—接地裝置的工頻接地電阻，Ω；ρ—土壤電阻率Ω·m；s—地網(wǎng)面積，m2。

由上式計算得格鬧河電站廠房部分接地電阻約為10Ω，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接地電阻的要求，故必須作降阻處理?，F(xiàn)在已測得云貴橋水電站的接地電阻值為0.88Ω，經(jīng)2根接地干線將格鬧河電站和云貴橋電站兩個獨立接地網(wǎng)并聯(lián)后計算得接地電阻值為0.80＜0.86Ω，滿足要求。由此可知，水電站的接地應(yīng)充分利用水下接地網(wǎng)進(jìn)行降阻。

4 防雷過電壓保護(hù)

4.1 直擊雷保護(hù)

主廠房屋面采用輕型鋼結(jié)構(gòu)、副廠房為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，防直擊雷措施是在屋頂敷設(shè)一圈避雷帶。110 kV出線場布置在副廠房屋頂，110 kV線路全線架設(shè)避雷線，其保護(hù)范圍可將出線場設(shè)備覆蓋。

4.2 過電壓保護(hù)

按“水力發(fā)電廠過電壓保護(hù)和絕緣設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則”要求，分別在主變低壓側(cè)、中性點裝設(shè)一組氧化鋅避雷器，同時在110 kV母線和110 kV出線側(cè)配置一組氧化鋅避雷器作為防止雷電入侵波過電壓保護(hù)。

5 結(jié)語

通過對格鬧河水電站的接地系統(tǒng)設(shè)計分析，并結(jié)合其他水電站接地系統(tǒng)的設(shè)計和實施經(jīng)驗，得出水電站雖然存在地形限制，導(dǎo)致接地網(wǎng)面積小，且土壤電阻率高等多重原因，但應(yīng)充分利用水的電阻率低的優(yōu)勢，發(fā)揮其降阻作用。針對格鬧河水電站，自身地形限制導(dǎo)致接地網(wǎng)面積受限，接地電阻不滿足要求，但通過與下游云貴橋水電站壩區(qū)接地網(wǎng)并聯(lián)后，接地電阻值得到有效降低，可見庫區(qū)水下接地網(wǎng)起著至關(guān)重要的作用。目前本站接地系統(tǒng)設(shè)計的計算參數(shù)能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但仍待電站投運前后測試驗證。