基于 CDEGS軟件設(shè)計(jì)的下水庫(kù)接地網(wǎng)改造

馮海超，陸 勝，姜躍東 ，鄭智勇，楊廷方，高海歐

（1.華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江省安吉 310032；2.長(zhǎng)沙科智防雷工程有限公司，湖南省長(zhǎng)沙市 410005）

0 引言

天荒坪抽水蓄能電站接地網(wǎng)于1998 年正式投運(yùn)。該抽水蓄能電站的下水庫(kù)接地網(wǎng)為電站的主地網(wǎng)。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，土壤的腐蝕性造成了多處接地極材料銹蝕[1-4]，使得接地網(wǎng)的接地電阻超標(biāo)。經(jīng)測(cè)量，接地電阻高達(dá)1.4Ω，嚴(yán)重地影響了電站運(yùn)行的可靠性，因此有必要對(duì)該電站接地網(wǎng)進(jìn)行改造[5-8]。本文利用CDEGS 軟件，對(duì)該抽水蓄能電站水庫(kù)區(qū)域的地質(zhì)情況擬合分析，構(gòu)建土層模型；然后通進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較和優(yōu)化分析，設(shè)計(jì)出了符合安全標(biāo)準(zhǔn)的水下接地網(wǎng)。

1 下水庫(kù)接地網(wǎng)建模仿真

1.1 土壤參數(shù)擬合及土層模型構(gòu)建

在土壤各個(gè)參數(shù)中，土壤電阻率與接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案及性能息息相關(guān)，其大小直接影響到接地網(wǎng)的接地電阻大小。同時(shí)，該參數(shù)是否準(zhǔn)確，也直接影響到土壤分層模型的精確構(gòu)建。因此，準(zhǔn)確測(cè)量土壤電阻率，是接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的第一步，也是最重要的一步。本次的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)采用等間距Wenner四極法測(cè)量，如圖1所示，a為極間距離。

在電站下水庫(kù)周邊區(qū)域，通過(guò)改變極間距離a，測(cè)量視在土壤電阻率ρ，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

圖1 四極法測(cè)量土壤電阻率原理圖Figure 1 Schematic diagram of soil resistivity measurement by four electrode method

表1 電站下水庫(kù)視在土壤電阻率測(cè)量Table 1 Soil resistivity measurement of power station reservoir

續(xù)表

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，利用CDEGS軟件的RESAP模塊對(duì)土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬合和仿真計(jì)算，結(jié)果如圖2（各坐標(biāo)軸采用對(duì)數(shù)顯示）和圖3所示。其中，圖2為CDEGS軟件擬合出來(lái)的下水庫(kù)土壤的分層情況，圖3為CDEGS軟件計(jì)算出來(lái)的下水庫(kù)土壤每層厚度及相應(yīng)的土壤電阻率大小。

圖2 土壤參數(shù)擬合結(jié)果Figure 2 Fitting results of soil parameters

圖3 土層參數(shù)仿真結(jié)果Figure 3 Simulation results of soil parameters

由圖2和圖3可知，該水電站下水庫(kù)區(qū)域土壤為三層土壤結(jié)構(gòu)。其中，第一層土壤厚度為4.1m；土壤電阻率為56.5Ω·m；第二層土壤厚度為73.0m；土壤電阻率為141.4Ω·m。底層土壤電阻率為1009.5Ω·m。另外經(jīng)測(cè)量，下水庫(kù)的水電阻率為220Ω·m。

1.2 接地網(wǎng)模擬設(shè)計(jì)及仿真

通過(guò)CDEGS軟件的RESAP模塊，計(jì)算得到各土層的土壤電阻率及厚度后，再在CDEGS軟件中，依照下水庫(kù)的形狀和地貌特點(diǎn)，利用MALZ模塊建立下水庫(kù)接地網(wǎng)仿真模型，如圖4所示。

圖4 下水庫(kù)接地網(wǎng)仿真模型Figure 4 Simulation model of grounding grid in power station reservoir

1.3 接地網(wǎng)模型仿真安全性能參數(shù)仿真計(jì)算

1.3.1 接地電阻仿真計(jì)算

在CDEGS軟件系統(tǒng)，通過(guò)不斷地調(diào)整敷設(shè)水底的銅絞線即水平接地體的長(zhǎng)度，來(lái)確定接地電阻是否滿(mǎn)足要求。隨著水平接地體的不斷延長(zhǎng)，接地網(wǎng)面積增加，接地電阻會(huì)不斷地下降。當(dāng)水平接地體長(zhǎng)度大約為1km時(shí)，測(cè)得接地電阻為0.61Ω。另外，當(dāng)網(wǎng)格由100m×100m變成50m×50m，再變成10m×10m時(shí)，接地電阻也下降。經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，最終的接地網(wǎng)網(wǎng)格確定為10m×10m，且水下水平接地體長(zhǎng)度為1km。經(jīng)計(jì)算，此時(shí)接地網(wǎng)的接地電阻R為0.489Ω，小于設(shè)計(jì)目標(biāo)值0.5Ω，滿(mǎn)足要求。

1.3.2 跨步電壓仿真計(jì)算

通過(guò)軟件CDEGS在地網(wǎng)上注入10kA電流，測(cè)得接地網(wǎng)的最大跨步電壓為461.25V，小于接地網(wǎng)跨步電壓上限值為526.28V，滿(mǎn)足要求。在仿真過(guò)程發(fā)現(xiàn)接地網(wǎng)的網(wǎng)格越小，接地導(dǎo)體越密，跨步電壓就越小，接地電阻也會(huì)下降。但當(dāng)接地體密集到一定程度時(shí)，對(duì)接地電阻的變化就不再起作用了。仿真結(jié)果如圖5所示，由圖中可知，接地網(wǎng)邊緣處跨步電壓比較高，但都滿(mǎn)足要求。

1.3.3 接觸電壓仿真計(jì)算

通過(guò)軟件CDEGS測(cè)得接地網(wǎng)的最大接觸電壓為349.56V，小于接觸電壓上限值為375.01V，滿(mǎn)足要求。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 接地網(wǎng)模型跨步電壓分布圖Figure 5 Step voltage distribution diagram of grounding grid model

圖6 接觸電壓分布圖Figure 6 Touch voltage distribution diagram

2 水下接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案

該抽水蓄能電站下水庫(kù)呈南北長(zhǎng)、東西窄狀。根據(jù)CDEGS軟件仿真結(jié)果，以及下水庫(kù)的形狀和地形特點(diǎn)，得到下水庫(kù)接地網(wǎng)的實(shí)際設(shè)計(jì)方案及布置圖如圖7所示。下水庫(kù)接地網(wǎng)的接地導(dǎo)體主要分為南北線和東西線。南北1～4號(hào)線分別位于左岸330m高程、310m高程、右岸310m高程、330m高程的邊坡上，全長(zhǎng)1.3km。東西1號(hào)線在觀景平臺(tái)旁，并與原有接地網(wǎng)連接導(dǎo)通。東西31號(hào)線在庫(kù)尾。東西1～31號(hào)線每線間隔30m，與南北線形成網(wǎng)格敷設(shè)于整個(gè)下水庫(kù)區(qū)。在下水庫(kù)的地網(wǎng)焊接過(guò)程中，將下水庫(kù)的新增地網(wǎng)與重力拱壩、深孔、溢流孔、導(dǎo)流明渠、進(jìn)水口、開(kāi)關(guān)站、主廠房、尾水洞等地方敷設(shè)的接地導(dǎo)體連接起來(lái)。這樣大大增加了地網(wǎng)的可靠性和面積。

圖 7 下水庫(kù)接地網(wǎng)布置圖Figure 7 Layout of grounding grid of power station reservoir

3 水下接地網(wǎng)施工

接地網(wǎng)的施工非常重要，直接關(guān)系到接地網(wǎng)的質(zhì)量。下水庫(kù)接地網(wǎng)的接地銅絞線的固定每間隔2m一個(gè)固定樁。新增接地網(wǎng)的南北1、2號(hào)線在下庫(kù)水位計(jì)室下方與消防水池之間，與原地網(wǎng)的銅絞線分別進(jìn)行了可靠焊接。左、右兩岸的南北向接地線延伸至大壩處合二為一，再一直延伸到大壩下游的深水潭北端淺灘側(cè)。下庫(kù)的接地網(wǎng)網(wǎng)格采用10m×10m的網(wǎng)格，均采用放熱焊接，如圖8所示。經(jīng)計(jì)算，整個(gè)接地網(wǎng)大約5萬(wàn)m2。

在新、老接地網(wǎng)相交處，也進(jìn)行了多處放熱焊接。為了保證每個(gè)焊點(diǎn)焊接質(zhì)量的可靠性，每個(gè)焊點(diǎn)都進(jìn)行了導(dǎo)通電阻測(cè)試，如圖9所示，所有阻值都在20μ Ω以下。

圖9 接地網(wǎng)導(dǎo)通電阻測(cè)試Figure 9 On-resistance test of grounding grid

在接地母線易腐蝕及易機(jī)械損傷區(qū)域，澆筑300mm×300mm導(dǎo)電水泥混凝土進(jìn)行保護(hù)接地母線。為了保證銅絞線穩(wěn)固在水底不被水流沖走，還經(jīng)過(guò)制模、澆筑、定型、養(yǎng)護(hù)后制作了重力錘，如圖10所示。重力錘在下放水底之前，要與接地體進(jìn)行焊接和緊固。

圖10 重力錘制作Figure 10 Gravity hammer manufacture

4 接地網(wǎng)檢測(cè)

接地施工完畢后，根據(jù)DL/T 475—2017《接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則》的有關(guān)要求，為了減少干擾，采用遠(yuǎn)離夾角法，進(jìn)行接地網(wǎng)的接地電阻測(cè)量。在測(cè)量方案中，電壓線和電流線的放線路徑如圖11所示。

圖11 電壓線和電流線的放線路徑Figure 11 Placement route of voltage line and current line

經(jīng)測(cè)量，接地網(wǎng)的接地電阻為0.47Ω。按照DL/T 475—2017《接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則》的要求，最終的接地電阻修正值約為0.5Ω，沒(méi)有超過(guò)目標(biāo)值0.5Ω，故接地電阻合格。且接觸電壓、跨步電壓后經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)均合格，故本次接地網(wǎng)改造滿(mǎn)足要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用CDEGS 軟件的RESAP模塊，精確計(jì)算出了各土層的土壤電阻率及厚度，構(gòu)建了土層模型。然后在CDEGS軟件中，利用MALZ模塊建立下水庫(kù)接地網(wǎng)仿真模型。通過(guò)軟件系統(tǒng)，不斷地調(diào)整水平接地體的長(zhǎng)度，來(lái)確定接地電阻大小，并優(yōu)化了網(wǎng)格的大小。經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，最終確定了接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案，節(jié)約了大量的人力、物力和成本。為大型接地網(wǎng)的改造和設(shè)計(jì)提供了一種思路。