水下接地網(wǎng)在某水電站的應(yīng)用

蔡 源

（新安江水力發(fā)電廠實(shí)業(yè)總公司工程部，浙江省建德市 311600）

水下接地網(wǎng)在某水電站的應(yīng)用

蔡 源

（新安江水力發(fā)電廠實(shí)業(yè)總公司工程部，浙江省建德市 311600）

某水電站建設(shè)在黑云母花崗巖特高電阻率地區(qū)，原工頻接地設(shè)計充分利用了廠壩區(qū)自然接地體和江水散流介質(zhì)，由于受當(dāng)時技術(shù)及工藝限制，加之電站建設(shè)年限久遠(yuǎn)及原接地網(wǎng)銹蝕斷裂嚴(yán)重，致使接地電阻超標(biāo)。采用新技術(shù)，敷設(shè)新水庫水下網(wǎng)箱式立體接地網(wǎng)改造原接地網(wǎng)，取得了明顯效果。

某水電站；工頻接地；接地網(wǎng)；電阻

0 引言

某水電站位于浙江省建德市，于1960年4月發(fā)電，裝機(jī)810MW，220kV出線六回，與一般的水電站一樣地處山區(qū)，土壤電阻率較高，同時接地網(wǎng)相對分散。電站建設(shè)在黑云母花崗巖特高電阻率地區(qū)，原設(shè)計采用了分流、限流、均壓、隔離等先進(jìn)接地技術(shù)，充分利用了廠壩區(qū)自然接地體和江水散流介質(zhì)。但由于受到當(dāng)時施工條件的限制，人工接地網(wǎng)的有效散流面積太??；綜合各年對接地網(wǎng)的接地電阻的測量數(shù)據(jù)，某水電站全廠的接地電阻約0.6Ω，未達(dá)到安全運(yùn)行的要求值，而電站廠址的地質(zhì)情況復(fù)雜，土壤電阻率較高，當(dāng)發(fā)生設(shè)備短路后，地電位的升高使得高電位引出的問題比較嚴(yán)重，將嚴(yán)重危及人身安全和設(shè)備的安全運(yùn)行；特別是為了避免地網(wǎng)反擊電壓和地下雜散電流產(chǎn)生的地網(wǎng)雜散電位對計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等自動化電子裝置的損壞和干擾，宜將全站的工頻接地電阻降低到允許值。

1 接地網(wǎng)接地電阻設(shè)計

該水電站出線的電壓等級為220kV，為中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)，通過向華東電力調(diào)度通信中心、浙江省電力調(diào)度所咨詢，改造當(dāng)年該水電站的單相接地電流約16kA，若按該水電站10年發(fā)展后的系統(tǒng)最大運(yùn)行方式，其最大入地短路電流為20kA。

因此，根據(jù)國內(nèi)許多大型水電站將接地電位提高到5000V左右進(jìn)行接地網(wǎng)設(shè)計和運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，在適當(dāng)留有余地、保證安全的前提下，同時節(jié)省工程投資，該水電站設(shè)計的接地網(wǎng)工頻接地電阻宜≤0.4Ω。

2 水庫水下網(wǎng)箱式立體接地網(wǎng)設(shè)計及施工

2.1 接地網(wǎng)采用的方式

2007年3月，該水電站委托中南勘測設(shè)計研究院圭臬新技術(shù)公司并派人到現(xiàn)場詳細(xì)了解了現(xiàn)有地網(wǎng)的現(xiàn)狀和地形、地貌與地質(zhì)條件，查閱了接地工程技術(shù)檔案，對發(fā)電廠接地網(wǎng)的構(gòu)造和運(yùn)行測試情況以及廠壩區(qū)上下游的地質(zhì)和電氣參數(shù)進(jìn)行了調(diào)查，并提取了水樣，對環(huán)境水的導(dǎo)電性能和對金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕做出了評價分析。在此基礎(chǔ)上，提出了在電廠水庫敷設(shè)水下網(wǎng)箱式立體接地網(wǎng)，形成深層立體地網(wǎng)，加強(qiáng)水下接地網(wǎng)與主廠房、主變壓器引下線之間的連接與集中散流，將入地短路電流就近垂直引入地的深層低土壤電阻率層，擴(kuò)大了散流體積，減少電流密度的方案，從而可將接地網(wǎng)的工頻接地電阻降低到要求值。

2.2 水庫水下網(wǎng)箱式立體接地網(wǎng)的原理

水庫水下立體接地網(wǎng)其降低接地電阻的原理簡述如下：平面地網(wǎng)為了降低接地電阻，往往會將地網(wǎng)面積擴(kuò)展很大，但由于短路的作用時間非常短暫，陡度很大，可能引起地網(wǎng)上感抗的極大增加，沿水平接地極末端將會有很大的壓降，使地網(wǎng)上的電位分布很不均勻，從而在設(shè)備兩端產(chǎn)生很高的電壓，干擾設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至損壞設(shè)備。電站現(xiàn)有的地網(wǎng)就是這種情況，接地范圍很大，利用率很低，在高土壤電阻率地區(qū)非常危險，須加以改造。

充分利用水庫江水電阻率低、水位穩(wěn)定、腐蝕小、散流好等特點(diǎn)，將水平接地極引入水庫底部，成為1個垂直接地極，這樣使單根接地極垂直穿透到地的深層，受到庫中的礦物質(zhì)等低電阻率的影響，使得接地極四周的水電阻率大大降低，接地電阻也隨即降低，若將許多根這樣的接地極縱橫紡織成網(wǎng)沉入庫底，在水庫的水平面形成一個以水平面為底，水深為半徑的半球形網(wǎng)箱式接地網(wǎng)，我們將許多個這樣的垂直接地極有機(jī)地連接起來，在庫底的深層形成半球形散流的接地網(wǎng)，稱為水下網(wǎng)箱式立體接地網(wǎng)。

水下網(wǎng)箱式立體接地網(wǎng)應(yīng)與原接地網(wǎng)保持足夠的距離，以減少相互之間的屏蔽影響，充分利用各自的散流作用，并與原接地網(wǎng)采用多點(diǎn)連接。該立體地網(wǎng)的形成，改善了整個接地網(wǎng)的導(dǎo)電率，增加了接地網(wǎng)的散流體積，從而達(dá)到降低地網(wǎng)工頻接地電阻的目的。

2.3 水庫水下網(wǎng)箱式立體接地網(wǎng)的理論計算設(shè)計

2.3.1 水庫接地網(wǎng)計算參數(shù)

水平接地網(wǎng)面積：S≈60萬m2

計算水位（死水位）高程：92m

計算河床平均寬度：500m

水面平均寬度：800m

計算水深：90～100m

庫區(qū)計算水庫接地體有效平均長度：L=1000m

水庫接地體等效平均半徑：L=100m

錨樁接地極個數(shù)：N=14

錨樁接地極深度：h=30m

錨樁接地極計算直徑：d=0.1m

導(dǎo)電混凝土降阻系數(shù)：k=0.75

水電阻率：ρ1=100Ω·m

巖石電阻率：ρ2=1500Ω·m

計算用等值電阻率：ρ=750Ω·m

網(wǎng)孔系數(shù)：K1=1.2

地網(wǎng)利用系數(shù)：K2=1.2

屏蔽系數(shù)：K3=1

引流干線：采用TJ-120硬銅絞線，直流電阻為0.158Ω/km

2.3.2 水庫接地網(wǎng)工頻接地電阻的計算

（1）采用平均電位法和球面切塊組合法計算接地電阻。

1）水庫接地網(wǎng)的水平網(wǎng)接地電阻：

式中：ρ——等值電阻率；

L——計算長度；

Z——等效半徑 ；

K1——網(wǎng)孔系數(shù)；

K2——地網(wǎng)利用系數(shù)；

K3——屏蔽系數(shù)；

ΔR——引流線電阻。

將水庫接地網(wǎng)計算參數(shù)代入上式，得水下接地網(wǎng)水平網(wǎng)接地電阻為：

2）水庫接地網(wǎng)的錨樁接地極的接地電阻：

式中：ρ——等值電阻率；

h——錨樁接地極深度；

d——錨樁接地極直徑；

N——錨樁接地極個數(shù)；

k——導(dǎo)電混凝土降阻系數(shù)，取0.75。

3）水庫接地網(wǎng)并聯(lián)成立體接地網(wǎng)后的總接地電阻：

（2）采用非均勻土壤中接地網(wǎng)計算（《水力發(fā)電廠接地設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則》DL/T 5091—1999中的推薦計算方法）來校正接地電阻：

式中：ρ1——水電阻率；

ρ2——巖石電阻率；

S——水平接地網(wǎng)面積；

K=0.3。

3 水下網(wǎng)箱立體接地網(wǎng)的敷設(shè)

（1） 為了減少水下網(wǎng)箱接地網(wǎng)與壩前水工建筑物自然接地體和人工接地體的屏蔽影響，在壩前200m處敷設(shè)水下接地網(wǎng)。

（2）在水庫上游兩岸分別布置7個接地錨樁，錨樁鉆孔孔徑0.1m，孔深30m，孔內(nèi)安裝φ48（壁厚3.5mm）的鍍鋅鋼管，灌注DDT-M型導(dǎo)電混凝土，這樣既可以作為錨樁固定鋼絞線防止電極腐蝕，又能作為垂直接地極通過岸邊的滲透水將電流散失，起到降低接地電阻的效果。

（3）為了減小地網(wǎng)自身的阻抗和大壩接地網(wǎng)的屏蔽，在壩前200m布置第1根TJ-120硬銅絞線。

（4）自右2-左2起，采用5根GJ-120硬銅絞線、間距100m橫跨水庫加重力錘沉入庫底，右7-左7采用TJ-120硬銅絞線，中間再布置有3根TJ-120硬銅絞線縱向連接，每個交叉點(diǎn)都采取標(biāo)準(zhǔn)金具做機(jī)械連接，采用氧焊作電氣連接，并用瀝青作防腐處理。

重力鍾的大小與形狀根據(jù)水下接地極所處的位置與水流速度有關(guān)。

（5）左右兩岸各1條采用TJ-120硬銅絞線作引流線，在壩前200m段可離岸50m敷設(shè)并沉入水庫，上壩后橫跨大壩，沿電纜溝與大壩主變壓器接地網(wǎng)相連接。

圖1 某水電站水下網(wǎng)箱接地網(wǎng)平面布置圖

（6）為了防止被盜、船錨拖動等人為破壞，在水庫兩岸離岸50m，引流線在水下接地網(wǎng)兩岸的錨樁錨固后再分別與7根GJ-120鋼絞線連接，構(gòu)成閉合回路，形成網(wǎng)箱式立體接地網(wǎng)。長寬比為2：1，接地網(wǎng)在水平面投影面積為500×800m2，等效接地半徑約為350m。

（7）到達(dá)大壩的引流線極都必須與大壩的金屬結(jié)構(gòu)相連接，并引到開關(guān)站，與其均壓網(wǎng)相連接，詳見圖1。

4 水下網(wǎng)箱立體接地網(wǎng)的改造效果

該水電站全廠接地電阻采用交流獨(dú)立電源，一臺20kVA隔離變作為獨(dú)立測量電源，電極使用三角形布置，電壓極采用獨(dú)立拉線；將電壓極用線人為從廠房拉出至電壓極接地樁處，電流極用10kV 104線的部分線段，為了保證測量的準(zhǔn)確性和與歷史數(shù)據(jù)的可比性，線段的長度選擇與歷史上的選擇相同（見圖2）。為了檢驗(yàn)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)由該水電站、華東電力設(shè)計研究和中南勘測設(shè)計研究院圭臬新技術(shù)公司三方共同完成。測試的點(diǎn)位與歷史相同，測試數(shù)據(jù)見表1。

圖2 該水電站接地電阻測試接線原理圖

表1 某水電站接地網(wǎng)改造前后接地電阻測試值 Ω

5 結(jié)論

（1）該水電站接地網(wǎng)改造后全廠工頻接地電阻為0.34Ω，較改造前下降了43%，改造效果明顯。

（2）在高巖石電阻率地區(qū)水電站采用庫內(nèi)布置水下立體網(wǎng)箱接地網(wǎng)是改造工頻接地電阻的可行辦法。

[1] 電力工業(yè)部絕緣配合標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會. DL/T 621—1997，交流電氣裝置的接地. 北京：中國電力出版社，1997.

[2] 中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會. DL/T 5091—1999，水力發(fā)電廠接地設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則. 北京：中國電力出版社，1999.

[3] 中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會. DL/T 5090—1999，水力發(fā)電廠過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則. 北京：中國電力出版社，1999.

蔡 源（1969—），男，本科，高級工程師，電氣專工，研究方向：水電一次設(shè)備檢修及管理。E-mail：caiyuan2496@sina.com

Application of Underwater Grounding Grid in A hydropower Station

CAI Yuan
（Xin’anjiang Hydropower Station Industrial Corp Engineering Department，Jiande 311600，China）

A Hydropower Station is located in biotite granite particularly high resistivity areas. The original frequency grounding design took advantage of the natural grounding material and river discharging media distribution. But due to constraints of old technology and processing，and the old power plant and the original grounding grid was corroded and broken，which results in the grounding resistance exceeded.Adoption of new technologies，the original grounding grid is instead of new reservoirs with underwater cage 3D，and receive good results.

a hydropower station；frequency grounding;grounding grid；resistance