山灣子風電場110kV升壓站接地網的設計

董 杰

山灣子風電場110kV升壓站系該風電場110kV屋外配電裝置的運行場地,海拔高程1760m,占地約120m×90m。

場址土壤電阻率測量方法采用對稱四極測深法,整個風場地質資料表明,其場地地層為第三系漢諾壩強風化玄武巖,實測視電阻率變化范圍為119～419Ω?m。根據升壓站外各風機位置的地勘資料,風電場(機位測區)共26個測深點,土質分布均勻,視土壤電阻率65～349Ω?m,多數在180Ω?m左右 。

升壓站僅有3個測點,其中供電極距AB/2＞3 m,共24個數據,上限段數值300～406Ω?m共計5個數值,其余分布在162～279Ω?m范圍內(見表1)。

表1 升壓站地質探孔視土壤電阻率表Ω?m

由表1看出,升壓站視土壤電阻率幅度變化較小,均在400Ω?m以下,但是升壓站控制樓基礎最先施工時,場地開挖中發現地表巖石頗多,疑似該升壓站的土質與站外風機位的資料大相徑庭。

按著地質報告的論述,第四系厚度變化范圍為0～3.0m,成分以碎石夾粉土或粉土為主,各點厚度不一。基底地層玄武巖風化過程較強,電阻率較穩定。

在進入工程的施工設計階段,一般應按下列程序,逐步進展。

(1)根據電力系統中性點工作制,選擇接地電阻值。

(2)根據土壤勘測資料估計土壤電阻率。

(3)根據選擇的接地電阻值及估計的土壤電阻率,設計升壓站接地網。

(4)地網敷設回填土后,進行接地電阻測量及驗證。

1 升壓站接地網接地電阻值的選擇

要確定升壓站接地網的電阻值,首先要進行升壓站110kV單相短路電流的計算,該風電場接入系統情況簡述如下。

按著本工程建成后5～10年,山灣子風電場升壓站是通過一回110kV(LGJ-240)40km線路,將風電場電能送向中心變電站——普發220kV升壓站。普發升壓站是連接3、4個風電場的電能匯集站。普發站又通過一回220kV(LGJ-2×400)45km線路,將470mW的電能送入電力系統的樞紐站——220kV木蘭站(見圖1)。

圖1 圍場風電場群規劃設計圖

普發一期的1#主變壓器為220kV三繞組有載變壓器,容量180MWA,短路阻抗參數:U高-低=23%,U高-中=14%,U中-低=8%。為便于短路電流計算,簡化計算網絡圖如圖2。

圖2 山彎子風電場短路電流計算網絡圖

此時將木蘭站視為無窮大系統(規劃的傳輸容量2×184.2mW),即認為短路電流的周期分量在整個短路過程中保持不變。這是基于電網的無功補償是按分層分區和就地平衡原則設計的,并能隨電壓進行調整,實際是將木蘭站220kV母線看成恒壓源,即當山灣子升壓站110kV母線發生單相短路時,不會對木蘭站220kV母線側的電壓有多大影響,這樣的計算假設較為合理。升壓站110kV母線單相短路電流的序網計算見圖3。

圖3 序網計算圖

2 合理估計土壤電阻率

由于升壓站內地勘資料匱乏(僅3個測井),場地平整中又多見巨大巖石塊,在地表觀察和地質推斷相矛盾時,而且第四系土壤電阻率值119～419Ω?m,為穩妥起見設計,取高限測量值 ρ0=300Ω?m,考慮測量前土壤比較干燥,季節系數λ取1.35,這樣最終設計用土壤電阻率ρ=405Ω?m。

根據升壓站屋外配電裝置布置要求,采用水平復合接地網形式,近似等間距布置,水平接地體選擇為60mm×6mm的鍍鋅扁鋼,水平接地體埋深0.8m,橫向8根,豎向8根,垂直接地體為長度2.5m的鍍鋅鋼管,共64根。接地網平面布置圖如圖4。

經計算,由于場地面積小,土壤電阻率高,接地電阻的理論值R=2.421Ω。超過規程計算值近1倍,不能滿足接地規程的要求。

圖4 升壓站接地網總圖(單位:mm)

地網的接地電阻主要和升壓站的面積有關,本工程升壓站面積100m×70m,而且面積也不會再增加,本工程采取了接地模塊與外引接地兩種措施,使地網的電阻減小。

3 接地模塊的引入

在升壓站接地網內外,不乏采用化學方法來改善接地電阻,本工程經調研采用了碳棒(模塊)為垂直接地極,其原理是石墨具有較好的電子導電性能,由于接地方式不具腐蝕性,對環境不會造成污染,能保持電性能的長效性。其主要優點如下。

(1)具有穩定的降阻效果和長效性。

(2)降阻效果明顯。

(3)價格較便宜。

(4)安裝方便,減少施工工作量。其數學模型是:

式中,ρ1為炭的電阻率,ρ2為現場的土壤電阻率。

施工中對回填土提出了工藝要求,回填土采用電阻率低的田園土。

接地模塊是一種內防腐外降阻的復合接地體,內為金屬電極芯棒,由高鋁硅酸鹽凝固成防腐體,再與電極導電材料混凝成復合接地模塊。其機理是如下。

(1)加大了接地體導流的有效直徑。

(2)降低接地體與土壤接觸電阻。

(3)具有吸水保濕功能,降低了周邊土壤電阻率。

本工程在橫縱接地扁鋼的交叉點設置接地模塊,共放置60塊模塊。考慮接地模塊間的屏蔽作用,采用公式R=R單/n×η進行修正,修正系數η取0.55,修正后的接地網總電阻為1.09Ω,大于地網要求值1.08Ω。接地電阻還沒有達到要求,為此,又采用了外延接地極的方式。

4 外延接地極

在對變電所周圍進行認真的勘探后,發現升壓站西側土壤電阻率相對較低適合做引外接地,因此做了2條放射狀水平接地體,長度30m,在水平接地體上加裝了6塊接地模塊,經計算升壓站總接地電阻為1.03Ω,小于1.08Ω,滿足規程要求。

加裝接地模塊與引延接地形式相結合,是土壤電阻率相對較高、面積較小的升壓站接地的較好的方案,適合風場升壓站的特點。

該工程如期竣工,經多次測量,升壓站接地網工頻電阻符合設計要求(升壓站的電氣安裝人員曾測試過為0.8Ω,電力部門在雨后一周測量為0.2Ω)。

經計算其電位差和跨步電位差如表2。

表2 電位差和跨步電位差

由表2可知最大接觸電位差與對地跨步電壓均滿足要求。

5 結 語

縱觀該工程的設計及施工的過程,此例可借鑒的經驗如下。

(1)對升壓站的土質分布,根據地質勘測報告的概率分析來做判據,盡管有的探孔其數據有發散性,但從區域性地質判斷土壤電阻率還是可用的,也是符合正態分布規律的。

(2)從我國電力等行業使用輔助降阻劑來說,接地模塊是比較經濟的較成熟的產品,其理論估算值有一定的可用性。

(3)對面積較小、土壤電阻率稍高的升壓站采用模塊與外引接地的接地方式是一種可以推薦的方案,經濟適用。

(4)單相短路電流計算,對風電場工程設計系統來說,由于較難得到合理又實用的系統參數,應根據風電場接入系統設計來摸索出一套可用的計算辦法。

1 DL/T621—1997,交流電氣裝置的接地[S].