高電阻率地區(qū)水電站接地系統(tǒng)改造淺論

鄭 賢 宇

(成都鴻策工程咨詢有限公司，四川 成都 610072)

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高電阻率地區(qū)水電站接地系統(tǒng)改造淺論

鄭 賢 宇

(成都鴻策工程咨詢有限公司，四川 成都 610072)

為了確保人身及設(shè)備在正常和事故情況下的安全，電氣設(shè)備需要進(jìn)行保護(hù)接地和工作接地，此外還要為導(dǎo)泄雷電流應(yīng)裝設(shè)過電壓保護(hù)接地。不同短路電流系統(tǒng)對接地電阻有著不同的要求，但往往高電阻率地區(qū)早期投運(yùn)的電站由于接地系統(tǒng)的老化，實(shí)測電阻率不能達(dá)到要求，是否對接地系統(tǒng)進(jìn)行改造？要根據(jù)具體情況而定。隨著水電站“無人值班”少人值守運(yùn)行模式的普及，甚至是遠(yuǎn)程控制的實(shí)施，對水電站運(yùn)行的安全性也提出了更高的要求。

水電站；接地系統(tǒng)；高電阻率；誤區(qū)；改造

0 引 言

水電站多建在高山峽谷之間，有的電站廠址位于巖石地基之上，電阻率較高達(dá)到5 000～20 000Ω.m。接地效果較差，工程設(shè)計(jì)大多采用接地電阻劑降低接地電阻值，或是采用引外接地方式，實(shí)測電阻勉強(qiáng)達(dá)到要求，電站投入運(yùn)行。但隨著電站運(yùn)行時(shí)間加長，一些上個(gè)世紀(jì)八、九十年代甚至更早的電站接地系統(tǒng)老化、腐蝕接地電阻值增加，影響到電站安全可靠的運(yùn)行，對電站接地系統(tǒng)是否應(yīng)進(jìn)行改造，實(shí)測電阻值下能否安全可靠運(yùn)行應(yīng)進(jìn)行全面的論證和研究，不能盲目的投資改造，造成資金浪費(fèi)。

1 水電站接地系統(tǒng)的基本要求

水電站的接地裝置應(yīng)安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理。為此，一般規(guī)定有如下幾點(diǎn)要求：

(1)為保證人身和設(shè)備的安全，電力設(shè)備宜接地或接零。交流電力設(shè)備的接地，應(yīng)充分利用自然接地體。水電站自然接地體的接地電阻符合要求時(shí)，可只敷設(shè)以水平接地體為主的人工均壓接地網(wǎng)。

(2)不同用途和不用電壓的電力設(shè)備，除另有規(guī)定者和獨(dú)立避雷針、避雷線外，應(yīng)使用一個(gè)總的接地體，接地電阻應(yīng)符合其中最小值的要求。接地電阻，應(yīng)考慮土壤干燥或凍結(jié)等季節(jié)變化的影響，一年四季中均應(yīng)符合要求，但防雷裝置的接地電阻可只考慮在雷季中土壤的干燥狀態(tài)的影響。

(3)水電站通信設(shè)備的接地，應(yīng)和電力設(shè)備的接地使用一個(gè)總的接地體。

(4)在水電站接地網(wǎng)內(nèi)的中性點(diǎn)直接接地的低壓電力網(wǎng)中，低壓電力設(shè)備的機(jī)座或是金屬外殼與接地網(wǎng)可靠連接后，允許不按接零保護(hù)的要求作短路驗(yàn)算。

(5)水電站接地裝置應(yīng)構(gòu)成均衡電位接地系統(tǒng)。在大接地短路電流系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地或同點(diǎn)兩相接地故障時(shí)，產(chǎn)生的接觸電位差和跨步電勢差不應(yīng)超過下列數(shù)值：

小接地短路電流系統(tǒng)中，在發(fā)生接地短路時(shí)，如果不是立即切除故障，其接觸電勢和跨步電勢不應(yīng)超過下列數(shù)值：

Ej=50+0.05ρbEk=50+0.2ρb

2 早期投運(yùn)水電站接地系統(tǒng)現(xiàn)狀

大多數(shù)水電站建設(shè)在山區(qū)河流的峽谷地區(qū)，位處堅(jiān)固的巖石基礎(chǔ)上。接地一方面受到地形的限制，另一方面由于地電阻率極高，因而造成了相當(dāng)大的困難，加之早期投運(yùn)水電站接地大多采用40×5截面較小的鍍鋅扁鋼，經(jīng)過長期運(yùn)行，銹蝕、腐蝕嚴(yán)重，有的已經(jīng)斷裂，影響整體接地效果。尤其是在旱季土壤干燥，電阻率增高，導(dǎo)致接地電阻值增大，影響全廠接地效果，對設(shè)備和人身的安全造成威脅。

3 高電阻率接地系統(tǒng)改造的誤區(qū)

鑒于部分高電阻率早期建設(shè)水電站接地系統(tǒng)面臨的現(xiàn)狀，業(yè)主大多請?jiān)O(shè)計(jì)單位對接地系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行專項(xiàng)研究，論證接地系統(tǒng)改造的必要性。筆者經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，一些設(shè)計(jì)人員存在著盲目地以實(shí)測接地電阻值與規(guī)程規(guī)范要求的接地電阻允許值進(jìn)行比較來作為接地系統(tǒng)能否保證設(shè)備及人身安全運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)，而忽略了高土壤地區(qū)在對可能將接地網(wǎng)的高電位引向廠、所外，或?qū)⒌碗娢灰驈S、所內(nèi)的設(shè)施，應(yīng)采取隔離接地電位措施?？紤]短路電流非周期分量的影響，并且當(dāng)接地網(wǎng)電位升高時(shí)，在發(fā)電廠、變電所內(nèi)的3～10kV閥型避雷器不應(yīng)動作的情況下，經(jīng)過驗(yàn)算接觸電勢和跨步電勢如果能達(dá)到要求可暫不改造，為項(xiàng)目業(yè)主節(jié)約資金。下面以華能太平驛電站接地系統(tǒng)為實(shí)例進(jìn)行具體論述。

4 太平驛水電站接地系統(tǒng)改造復(fù)核方案

太平驛電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣境內(nèi)的長江一級支流岷江干流上，電站采用低閘引水式開發(fā)，主要任務(wù)為發(fā)電。電站裝機(jī)260 MW， 1991年7月1日，電站主體工程開工，至1996年3月，電站全部竣工投產(chǎn)發(fā)電。“5·12”地震后，電站受到一定影響，通過局部修復(fù)處理后，目前電站處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

該電站為地下廠房，廠區(qū)的巖石電阻率非常高，且為大接地短路電流系統(tǒng)，電站的保護(hù)接地和工作接地共用一套接地系統(tǒng)，因廠區(qū)和壩區(qū)距離較遠(yuǎn)，故廠區(qū)和壩區(qū)分為兩個(gè)獨(dú)立的接地系統(tǒng)。電站原接地系統(tǒng)在主廠房、主變壓器洞、10 kV配電裝置洞、尾水洞、排風(fēng)洞、220 kV和110 kV開關(guān)站輔設(shè)人工接地網(wǎng)以及在河灘布置引外垂直接地井，主網(wǎng)采用40×5鍍鋅扁鋼。全廠接地系統(tǒng)經(jīng)過20多年的運(yùn)行，銹蝕、腐蝕嚴(yán)重，加之 “5·12”地震的破壞，整個(gè)接地系統(tǒng)效果受到影響，通過檢測測得接地電阻R=0.918 Ω，未滿足R≤0.5 Ω的要求。根據(jù)收資和現(xiàn)場調(diào)查，該電站將接地網(wǎng)的高電位引向廠、所外，或?qū)⒌碗娢灰驈S、所內(nèi)的設(shè)施，采取隔離接地電位措施，但考慮短路電流非周期分量的影響，并且當(dāng)接地網(wǎng)電位升高時(shí)，發(fā)電廠、變電所內(nèi)的3～10 kV閥型避雷器不應(yīng)動作，滿足要求。鑒于此種情況，接地系統(tǒng)是否需要改造，應(yīng)結(jié)合新的電力系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算短路電流后，復(fù)核接觸電勢和跨步電勢是否滿足要求，并校核接地裝置的熱穩(wěn)定容量。

4.1 接觸電勢的校核

4.1.1 接觸電位差允許值

在大接地短路電流系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地或同點(diǎn)兩相接地故障時(shí)，產(chǎn)生的接觸電位差和跨步電位差不應(yīng)超過下列數(shù)值：

根據(jù)實(shí)測加權(quán)平均電阻率ρb為620Ωm，t為主保護(hù)動作時(shí)間加相應(yīng)的斷路器全分閘時(shí)間0.085s。

t為主保護(hù)動作時(shí)間加相應(yīng)的斷路器全分閘時(shí)間對220kV母差保護(hù)動作t1=7ms，線路保護(hù)動作t1=26ms，主變壓器差動t1=60ms；分閘t2=20ms，保護(hù)出口繼電器t3=5ms，取大者故總t=t1+t2+t3=60+20+5=85ms。

4.1.2 接觸電位差計(jì)算值

在發(fā)生接地短路時(shí)，接地網(wǎng)地表面的最大接觸電位差Ejm=KjEw

當(dāng)均壓帶為不等間距離布置時(shí)，Kj= KjhKjnKjdKjsKjmKjL

Kj= KjhKjnKjdKjsKjmKjL=0.05

EW=IR

計(jì)算用入地短路電流取當(dāng)在廠、所內(nèi)或外發(fā)生單相接地短路時(shí)的較大電流值I=3 472A，太平驛電站測得開關(guān)站接地阻抗R=0.918Ω。

Ejm=KjEw= KjIR=159.36(V)

由以上計(jì)算結(jié)果159.36V<958.33V，故接觸電勢滿足要求。

4.2 跨步電勢的校核

4.2.1 跨步電位差允許值

t為主保護(hù)動作時(shí)間加相應(yīng)的斷路器全分閘時(shí)間為0.085s。

4.2.2 跨步電位差計(jì)算值

在發(fā)生接地短路時(shí)，接地網(wǎng)外地表面的最大跨步電位差Ekm=KkEw

當(dāng)均壓帶為不等間距離布置時(shí)，Kk=KkhKknKkdKksKkmKkL

Kk=KkhKknKkdKksKkmKkL=0.048

Ekm=KkEw=KkIR=152.99 V

由以上計(jì)算結(jié)果152.99 V<2 085.42 V，故跨步電勢滿足要求。

4.3 接地裝置的熱穩(wěn)定容量計(jì)算

太平驛電站所有接地線材料采用扁鋼，且最小接地扁鋼為敷設(shè)在電纜溝壁的40×5規(guī)格。

根據(jù)熱穩(wěn)定條件，接地線材料為鋼、銅或鋁材的最小截面應(yīng)按

Sjd=200mm>56.12mm，因此太平驛電站接地線材料滿足熱穩(wěn)定容量計(jì)算。

4.4 結(jié)論及建議

由以上計(jì)算結(jié)果可知太平驛電站，接地線材料熱穩(wěn)定容量、接觸電勢、跨步電勢均滿足要求。雖然因該電站所處區(qū)域接地電阻達(dá)不到0.5Ω，但驗(yàn)算接觸電位差、跨步電位差滿足允許值，可不進(jìn)行大規(guī)模的接地系統(tǒng)改造。但建議采取一些簡單經(jīng)濟(jì)的措施如輔設(shè)局部均壓帶、瀝青路面等。該電站運(yùn)行期間，應(yīng)定期對接地電阻進(jìn)行測量，并對接地均壓網(wǎng)的接觸電位差、跨步電位差進(jìn)行實(shí)測。

5 結(jié) 語

為了確保人身及設(shè)備在正常和事故情況下的安全，電氣設(shè)備需要進(jìn)行保護(hù)接地和工作接地，此外還要為導(dǎo)泄雷電流應(yīng)裝設(shè)過電壓保護(hù)接地。不同短路電流系統(tǒng)對接地電阻有著不同的要求，但往往高電阻率地區(qū)早期投運(yùn)的電站由于接地系統(tǒng)的老化，實(shí)測電阻率不能達(dá)到要求，是否對接地系統(tǒng)進(jìn)行改造？要根據(jù)具體情況而定。隨著水電站“無人值班”少人值守運(yùn)行模式的普及，甚至是遠(yuǎn)程控制的實(shí)施，對水電站運(yùn)行的安全性也提出了更高的要求。早期修建的水電站由于接地系統(tǒng)的損壞以及一些新建的高電阻地區(qū)的電站都面臨著接地電阻值難以降低的問題，在對接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)核時(shí)應(yīng)綜合各方面因素，深入研究提出經(jīng)濟(jì)可靠的方案。

[1] 水力發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則，《DL/T》509

[2] 水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊電氣一次

(責(zé)任編輯：卓政昌)

2017-06-05

P631.3+22；[TM622]；U264.7+4

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1001-2184(2017)03-0133-02

鄭賢宇(1982-)，女，四川成都人，畢業(yè)四川理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，工程師，學(xué)士，從事水電站電氣設(shè)計(jì)工作.