江源水電站接地降阻設(shè)計(jì)方法

□李 鵬（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院）

江源水電站接地降阻設(shè)計(jì)方法

□李 鵬（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院）

文章介紹水電站接地電阻的計(jì)算方法以及高土壤電阻率環(huán)境下降低水電站接地電阻的措施，重點(diǎn)提出一種通過(guò)采用新型電解地極的降阻方法，該方法在多石、巖石、沙石等土壤電阻率較高的環(huán)境中，可以顯著降低較傳統(tǒng)降阻措施中因增加接地網(wǎng)面積或挖多個(gè)深井等措施而產(chǎn)生的較高施工成本，并通過(guò)青海江源水電站降阻實(shí)例分析驗(yàn)證文中提出方法的工程實(shí)用性和有效性。

降阻；電解電極；電離子；接地；水電站

1 引言

江源水電站位于青海省門源縣仙米鄉(xiāng)的大通河干流上，是一座徑流引水式無(wú)調(diào)節(jié)水電工程，裝機(jī)3×14 MW，電站送出電壓為110 kV，出線1回，接入青海省海北大莊110 kV變電所，新建110 kV線路15 km。江源水電站建設(shè)過(guò)程出現(xiàn)實(shí)測(cè)接地電阻值達(dá)不到設(shè)計(jì)要求問(wèn)題，而且廠址面積有限，在有限的接地網(wǎng)面積內(nèi)采取措施降低接地電阻是亟待解決的問(wèn)題。

2 江源水電站接地現(xiàn)狀

江源水電站所在地為多石、土壤電阻率較高的青藏高原地區(qū)，廠址所在地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、擴(kuò)展區(qū)域受限，江源水電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)接地電阻要求R≤0.50 Ω，其所在地區(qū)土壤電阻率ρ=129.10 Ω·m?？⒐ず笄嗪Ｊ±纂姺雷o(hù)裝置檢測(cè)所對(duì)江源水電站主接地網(wǎng)接地阻抗進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)得江源水電站主接地網(wǎng)接地電阻實(shí)測(cè)值為0.72 Ω，檢測(cè)結(jié)果顯示其主接地網(wǎng)接地阻抗不符合相關(guān)規(guī)范要求。為保證主接地網(wǎng)電阻符合要求，需要對(duì)江源水電站接地網(wǎng)進(jìn)行降阻改造。

3 接地系統(tǒng)降阻解析計(jì)算

接地網(wǎng)電阻一般采用的理論估算公式為：

式中：ρ為土壤電阻率；S為接地網(wǎng)面積；R為地網(wǎng)接地電阻。

經(jīng)上式計(jì)算得知，要把接地電阻R降至0.50 Ω，需要的接地面積S約為16 666.81 m2，根據(jù)電站已實(shí)施人工接地體以及水工建筑物面積，現(xiàn)場(chǎng)達(dá)不到計(jì)算接地要求面積，而且根據(jù)上述接地阻抗公式的數(shù)學(xué)曲線可知，隨著接地網(wǎng)面積S增大，接地網(wǎng)電阻R逐漸趨于飽和，所以通過(guò)增加接地面積方式接地電阻很難降下來(lái)。

在設(shè)計(jì)水電站接地網(wǎng)時(shí)，也可以充分利用周圍環(huán)境敷設(shè)水下接地網(wǎng)，以降低水電站接地網(wǎng)的電阻，水下正方形接地網(wǎng)的接地電阻計(jì)算公式為：

式中：R為水下正方形接地網(wǎng)的電阻；h為接地網(wǎng)在水下的深度；ρ1為水（上層）的電阻率；ρ2為水底土壤（下層）電阻率；k為反射系數(shù)，。

式中：S為接地網(wǎng)的面積；L為接地網(wǎng)所在的導(dǎo)體總長(zhǎng)；d為導(dǎo)體自身的直徑大小。

在水下范圍內(nèi)，接地網(wǎng)電阻計(jì)算公式為：Rn=α、R。

式中：α1為大小形狀不一的接地網(wǎng)系數(shù)；L0為大小形狀不一的接地網(wǎng)外圍的周長(zhǎng)；R為接地網(wǎng)的電阻大小；S則視為未為大小形狀不一的接地網(wǎng)總體面積。

若采用水下接地網(wǎng)把接地電阻R降至0.50Ω，根據(jù)ρ1=20.10 Ω· m、ρ2=130.20 Ω·m、d=0.01 m、h=10 m，代入式（2）～（5）計(jì)算可知至少需要水下2 060 m2的接地網(wǎng)，在崎嶇陡峭不規(guī)則的河道敷設(shè)大面積的接地網(wǎng)是不現(xiàn)實(shí)的。

若采用電阻率較低的材料如降阻劑，將接地網(wǎng)內(nèi)自身范圍內(nèi)的土質(zhì)作為降阻劑替代品，并將其作為深井多井口的輔助，從而使得接地網(wǎng)與半球接地體效率等同，如下圖1所示：

圖1 半球接地示意圖

q其中r作為該接地體的半徑進(jìn)行設(shè)置，其接地電阻的公式：

由土質(zhì)的總體電阻率為ρ=129.10 Ω·m，將接地網(wǎng)的電阻大小設(shè)計(jì)值為R=0.50 Ω，經(jīng)上式計(jì)算得知，需將該接地體的半徑大小r擴(kuò)至41 m。

由于化學(xué)降阻劑具有一定的滲透能力和擴(kuò)散能力，通過(guò)在土壤中添加化學(xué)降阻劑可以降低土壤的電阻率ρ，從而降低電站的接地網(wǎng)電阻R，但深埋地下的降阻劑容易隨雨水流失，其降阻性能很難保持穩(wěn)定長(zhǎng)效，另外一些化學(xué)降阻劑含有一些有毒性的物質(zhì)，不僅會(huì)腐蝕接地極，縮短接地極的工作壽命，而且上述埋入土壤中的化學(xué)降阻劑會(huì)隨雨水沖刷進(jìn)入電站下游的河道，對(duì)相關(guān)流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境造成污染，對(duì)附近人畜的健康造成危害。

如果采用打深井放降阻劑降低土壤電阻率方式，則江源水電站需要打多個(gè)41 m深的井，在高原、多石、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的條件下，該方式施工成本較高，且需占用較多土地,不是經(jīng)濟(jì)合理的降阻解決辦法。

通過(guò)上述幾種接地網(wǎng)電阻解析計(jì)算，理論上可以通過(guò)增加接地網(wǎng)的面積S來(lái)實(shí)現(xiàn)降阻的目的，實(shí)際工程中受施工條件和可利用土地的限制，無(wú)法敷設(shè)規(guī)定接地電阻值對(duì)應(yīng)的接地網(wǎng)面積，因此需要考慮通過(guò)其他途徑來(lái)改善接地網(wǎng)的接地阻抗。

4 新型電解地極接地系統(tǒng)

從上述半球接地電阻公式可知，如果能降低接地半球中的土壤電阻率ρ值，接地電阻值R值隨之降低。本次降阻方案采用向土壤中施放電解質(zhì)的方法來(lái)降低土壤電阻率ρ值，江源水電站最終確定通過(guò)選用新型防腐電解地極的方法降阻。電解地極是在銅管內(nèi)填裝無(wú)毒化合物晶體，構(gòu)成施放電解質(zhì)的載體，將電解電極埋于地下并與水電站主接地網(wǎng)連接，由于電解地極銅管上的呼吸孔可以從周圍土壤中吸收水分，從而使電解地極內(nèi)部的化合物晶體變?yōu)殡娊赓|(zhì)溶液，該電解溶液又從呼吸孔滲出，并流入電解地極四周的土壤，從而使埋設(shè)電解地極的區(qū)域形成了成片導(dǎo)電率良好的電解質(zhì)離子土壤，特別是在砂土、多石、巖石地質(zhì)結(jié)構(gòu)的區(qū)域，電解質(zhì)液可向砂質(zhì)粘土的縱深方向和巖石表面的四周滲透，使原來(lái)導(dǎo)電率極差的砂巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)良好的電解質(zhì)導(dǎo)電通道，從而大范圍地降低了土壤電阻率ρ值，同時(shí)由于銅管內(nèi)是無(wú)毒化合物，該方法不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染。

設(shè)N為要達(dá)到接地電阻設(shè)計(jì)值R所需的電解地極的數(shù)量，由下列公式：

式中：R0為原地網(wǎng)的接地電阻；R為地網(wǎng)設(shè)計(jì)接地電阻；ρ為土壤電阻率；N為電解地極數(shù)量；k為系數(shù)，當(dāng)：ρ＜200 Ω·m，k取3，200≤ρ＜500 Ω·m，k取4，500≤ρ＜1000 Ω·m，k取4.50，ρ≥1000 Ω·m，k取5。

代入數(shù)據(jù)R=0.50、ρ=129.10 Ω·m、k=3、R0=0.72 Ω·m，經(jīng)上式計(jì)算得出采用該方法降阻時(shí)需新型電解地極的數(shù)量為4套。

江源水電站采用新型電解地極接地系統(tǒng)方案進(jìn)行降阻，其實(shí)施方案為：在原江源水電站主接地網(wǎng)四周外空地，開(kāi)挖地網(wǎng)溝（溝深≥0.80 m）敷設(shè)4條外延接地線（外延接地線采用-50×5的熱鍍鋅扁鋼），在外延接地線上埋設(shè)防腐電解地極，通過(guò)防腐電解地極上預(yù)留的接頭與水電站敷設(shè)的水平接地體緊固連接，再用專用回填材將電解地極均勻覆蓋，然后再用普通土回填夯實(shí)即可，站共放置新型防腐電解地極4套。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

傳統(tǒng)接地網(wǎng)降阻方式和電解地級(jí)降阻方式在技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面存在較大的差別，二者降阻性能比較分析見(jiàn)表1：

表1 降阻技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能比較表

江源水電站采用傳統(tǒng)接地網(wǎng)降阻方式和電解地級(jí)降阻方式二者在投資方面的比較見(jiàn)表2：

表2 降阻方法投資比較表 （單位：萬(wàn)元）

由表2可以看出：采用傳統(tǒng)擴(kuò)大接地面積的方式需要投資23萬(wàn)元，工期45d；采用電解地極降阻方法，投資11.17萬(wàn)元，工期7d，投資僅為傳統(tǒng)降阻方法的48.60%。

江源水電站通過(guò)采用新型電解電極降阻措施后，竣工驗(yàn)收實(shí)測(cè)接地網(wǎng)接地電阻為0.46 Ω，接地電阻顯著地降低到設(shè)計(jì)要求值以下，通過(guò)了相關(guān)單位的實(shí)測(cè)驗(yàn)收。

6 結(jié)語(yǔ)

青海江源水電站降阻工程實(shí)例證明采用電解地級(jí)對(duì)水電站接地系統(tǒng)進(jìn)行降阻改造具有以下優(yōu)點(diǎn)：①施工成本低，施工周期短，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性好；②電解電極的化合物無(wú)污染，是環(huán)境友好型降阻方法；③降阻效果顯著，降阻穩(wěn)定性好；④使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)行維護(hù)方便，是一種極具工程應(yīng)用價(jià)值的接地網(wǎng)降阻方法。

［1］寇曉.大型變電站接地網(wǎng)導(dǎo)通狀況研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（2）：88-92.

TV742

A

1673-8853（2017）10-0061-03

2017-8-15

編輯：左英勇