大型抽水蓄能電站水下接地網(wǎng)改造優(yōu)化設(shè)計

滕躍 張洪坤 鄭智勇 楊廷方

摘? 要：針對白山抽水蓄能電站原接地網(wǎng)嚴重銹蝕、接地電阻超標情況進行接地網(wǎng)改造。根據(jù)其高土壤電阻率的地貌特性，提出敷設(shè)水下網(wǎng)箱式接地網(wǎng)，灌注導電混凝土并利用岸邊滲透水降阻的改造方案。利用CDEGS軟件對水下網(wǎng)箱式接地網(wǎng)的接地電阻、跨步電壓和接觸電壓進行計算和優(yōu)化分析，并對其敷設(shè)距離進行準確計算。仿真計算和現(xiàn)場實測結(jié)果表明，該改造方案達到了預期的效果，能滿足電力系統(tǒng)的運行要求。

關(guān)鍵詞：接地電阻;高土壤電阻率;CDEGS;水下網(wǎng)箱式接地網(wǎng)

0? ? 引言

吉林白山發(fā)電廠是一座大型的抽水蓄能電站，在東北電力系統(tǒng)中承擔著調(diào)峰、調(diào)頻以及系統(tǒng)事故備用的重要任務(wù)。該電站附近地理環(huán)境復雜，水庫左右（東西）兩岸地質(zhì)地理條件存在較大差異，東岸河床狹窄，西岸邊坡陡峭，其主地網(wǎng)主要是由大壩基礎(chǔ)區(qū)域地網(wǎng)和大壩下游方向左右兩岸區(qū)域接地網(wǎng)組成。由于長期運行，土壤的腐蝕性造成了接地極材料銹蝕[1-3]，導致了接地電阻超標，并嚴重影響了該電站設(shè)備的安全運行以及人身安全，因此有必要對其地網(wǎng)進行改造。

本文針對該電站主接地網(wǎng)接地電阻超標情況，結(jié)合高土壤電阻率的地形特性，采用CDEGS軟件進行仿真計算，提出了敷設(shè)水下網(wǎng)箱式接地網(wǎng)的改造方案，并對水下接地網(wǎng)敷設(shè)距離進行了優(yōu)化。

1? ? 水下網(wǎng)箱式接地網(wǎng)總體設(shè)計方案

1.1? ? 抽水蓄能電站土壤結(jié)構(gòu)分析

通常土壤電阻率與土壤的潮濕程度密切相關(guān)，為使測量值接近真實值，通常選取土壤較為干燥和土壤未凍結(jié)的時期進行測量。本次土壤電阻率測量方法采用Wenner法[4-5]，其接線原理圖如圖1所示。

為使計算簡便，測量時通常取四電極間距相等，則視在電阻率（ρ）的計算公式為：

ρ=? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

為得到較合理的土壤電阻率數(shù)據(jù)，通過改變極間距離a，求得視在土壤電阻率ρ與極間距離a之間的關(guān)系曲線ρ=f（a）。極間距離的取值為1 m、2 m、3 m、5 m、7 m、10 m、20 m、30 m、50 m、70 m、100 m、200 m、300 m、350 m。極距與視在土壤電阻率的關(guān)系如表1所示。

根據(jù)測量結(jié)果，利用CDEGS軟件的RESAP模塊對土壤結(jié)構(gòu)進行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示（各坐標軸采用對數(shù)顯示）。由仿真結(jié)果可知，該電站站址附近土壤為兩層土壤結(jié)構(gòu)，具體情況如表2所示。

另外，經(jīng)測量，水的電阻率為100 Ω·m，水平均深為150 m。

1.2? ? 接地網(wǎng)改造總體方案設(shè)計

考慮到水庫中水位相對穩(wěn)定，提出了敷設(shè)水下網(wǎng)箱式接地網(wǎng)的設(shè)計方案。水下網(wǎng)箱式接地網(wǎng)的接地體采用240 mm2銅覆鋼絞線，并在水庫上游右岸（西岸）和左岸（東岸）布置深井接地錨樁，灌注導電混凝土，既能固定銅絞線，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。為了防止接地網(wǎng)遭受人為破壞，將整個水下接地網(wǎng)敷設(shè)在平均最低水位以下，接地網(wǎng)在水平面投影面積為800×2 000 m2。

2? ? 接地網(wǎng)工頻參數(shù)計算

2.1? ? 接地電阻

根據(jù)中華人民共和國能源行業(yè)標準《水力發(fā)電廠接地設(shè)計技術(shù)導則》（NB/T 35050—2015）中的要求，有效接地系統(tǒng)的水力發(fā)電廠接地裝置的接地電阻應該滿足：

R≤? ? ? ? ? （2）

式中，R為考慮季節(jié)變化的最大接地電阻（Ω）;I為計算用流經(jīng)接地裝置的最大入地電流（A，有效值）。

經(jīng)查，該電站最大運行方式下220 kV母線單相接地電流為6.0 kA左右。根據(jù)公式（2）可計算出本期工程接地網(wǎng)接地電阻的設(shè)計值為0.31 Ω。

2.2? ? 跨步電壓

根據(jù)《水力發(fā)電廠接地設(shè)計技術(shù)導則》（NB/T 35050—2015）的第7.2.1條款要求，可計算出本期工程接地網(wǎng)跨步電壓上限值為732.46 V。

2.3? ? 接觸電壓

根據(jù)《水力發(fā)電廠接地設(shè)計技術(shù)導則》（NB/T 35050—2015）的第7.2.1條款要求，可計算出本期工程接地網(wǎng)接觸電壓上限值為362.01 V。

3? ? 接地網(wǎng)仿真設(shè)計

3.1? ? 接地網(wǎng)安全性能參數(shù)仿真

由于測量得到的土壤模型為分層模型，根據(jù)表1和表2所測數(shù)據(jù)，在CDEGS中建立如圖3所示的接地網(wǎng)仿真模型。將重力拱壩、深孔、溢流孔、導流明渠、進水口、開關(guān)站、主廠房、尾水洞等地方敷設(shè)的接地導體連接起來，并在CDEGS軟件的RESAP模塊中將水庫的土壤模型設(shè)置為空氣與土壤水平分層。其中土壤共分三層，第一層的電阻率為水的電阻率，即100 Ω·m，深度為150 m;第二層的電阻率為124.64 Ω·m，深度為44.06 m;第三層的電阻率為1 012.68 Ω·m。水壩和引水管的土壤模型結(jié)構(gòu)類似，不含水層。

3.1.1? ? 接地電阻

通過軟件CDEGS在地網(wǎng)上注入電流，CDEGS軟件計算出的接地阻抗為0.297 Ω，阻抗角為3.7°，則地網(wǎng)的接地電阻R為0.29 Ω，小于設(shè)計允許值0.31 Ω，滿足要求。

3.1.2? ? 跨步電壓

通過軟件CDEGS在地網(wǎng)上注入電流，測得接地網(wǎng)最大跨步電壓為377.51 V，小于接地網(wǎng)跨步電壓上限值為732.46 V，滿足要求。仿真結(jié)果如圖4所示，由圖可知，接地網(wǎng)邊緣處跨步電壓比較高。

3.1.3? ? 接觸電壓

通過軟件CDEGS在地網(wǎng)上注入電流，測得接地網(wǎng)最大接觸電壓為239.75 V，小于接觸電壓上限值為362.01 V，滿足要求。仿真結(jié)果如圖5所示。

3.2? ? 接地網(wǎng)敷設(shè)距離計算

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200 m處布置第一根硬銅絞線，利用CDEGS軟件確定接地網(wǎng)的敷設(shè)距離（將大壩前200 m處設(shè)為0 m）。該電站接地網(wǎng)接地電阻與敷設(shè)銅絞線的距離之間的關(guān)系如表3所示。

根據(jù)CDGES軟件計算結(jié)果及以上分析可知，當敷設(shè)銅絞線的距離大于1 600 m后，接地電阻有可能小于0.31 Ω。若考慮一定的裕度，在實際中可敷設(shè)接地網(wǎng)到達與大壩前200 m處距離2 000 m的位置。且由表3可知，接地網(wǎng)越長，阻抗角越大，即接地阻抗的感性分量越明顯，這與接地網(wǎng)的設(shè)計理論相符。

4? ? 水下接地網(wǎng)施工及測試

由上述分析可知，水下接地網(wǎng)在壩前200 m布置第一根水平接地體，采用240 mm2硬銅絞線;從第二根水平接地體開始采用120 mm2硬銅絞線、間距100 m橫跨水庫加重力錘沉入庫底;最后一根水平接地體也采用240 mm2硬銅絞線，且中間再布置4根120 mm2硬銅絞線縱向連接。岸邊南北方向的深井接地采用240 mm2銅絞線連接到左右兩岸電站接地體。水下地網(wǎng)采用多根240 mm2銅絞線連接到大壩。水下每個交叉點都采取熱熔焊做電氣連接，并用瀝青做防腐處理。為了防止被盜、船錨拖動等人為破壞，在水庫兩岸離岸50 m處，引流線在水下接地網(wǎng)兩岸的錨樁錨固后再分別與120 mm2銅絞線連接，構(gòu)成閉合回路，形成網(wǎng)箱式立體接地網(wǎng)。

接地網(wǎng)施工完畢后，根據(jù)《接地裝置特性參數(shù)測量導則》（DL/T 475—2017）的要求進行接地網(wǎng)測試，結(jié)果顯示接地網(wǎng)的接地電阻（0.30 Ω）、接觸電壓、跨步電壓均滿足要求。

5? ? 結(jié)論

（1）對測得的土壤電阻率應仔細建模分析，為接地網(wǎng)的設(shè)計提供準確可靠的土壤電阻率模型。

（2）大范圍土壤電阻率對接地阻抗的幅值和相角影響都很大。接地阻抗的感性分量隨著接地網(wǎng)的面積增加而減小。

（3）在高土壤電阻率地區(qū)的電站，可以利用水庫中水位相對穩(wěn)定等特點，敷設(shè)水下網(wǎng)箱式接地網(wǎng)，以降低地網(wǎng)的接地電阻。

[參考文獻]

[1] 接地裝置特性參數(shù)測量導則：DL/T 475—2017[S].

[2] 李景祿，楊廷方，周羽生.接地降阻應用及存在問題分析[J].高電壓技術(shù)，2004，30（3）：65-66.

[3] 徐華，文習山，黃玲.大型變電站接地網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計[J].高電壓技術(shù)，2005，31（12）：63-65.

[4] 楊勻陽，張春輝，張雨，等.某110 kV變電站接地網(wǎng)問題分析與改造措施[J].供用電，2014（11）：57-60.

[5] 李謙.電力系統(tǒng)接地網(wǎng)特性參數(shù)測量及其應用[M].北京：中國電力出版社，2013.

收稿日期：2020-04-07

作者簡介：滕躍（1974—），男，吉林人，高級工程師，研究方向：電氣主設(shè)備運維。