英布魯水電站接地設計的特點

沈文蘭 許冬語 李建國

1 英布魯水電站接地設計獨特的自然條件

英布魯水電站位于剛果河支流萊菲尼河下游巴泰凱高原地區(qū),土壤淺層為風化沙層,電阻率相對較低；而深層及河床以下為白堊系、第三系和第四系陸相沉積地層,以砂壤土為主,電阻率比較高。現(xiàn)場實測的電阻率較高,2005年10月測得萊菲尼河水電阻率平均值1 130 Ω?m,砂壤土電阻率平均值5 460 Ω?m(當沙子潮濕時為 2 300 Ω?m), 砂巖電阻率平均值7 600 Ω?m(含水時為 4 800 Ω?m)。接地網所處的是酸性的砂壤土及河水；在2004年6月從萊菲尼河水取樣實測出pH值為5.33,河水中陽離子總含量7.01 mg/L(主要是K+、Na+離子,含量占6.21 mg/L)、陰離子總含量16.61mg/L(主要是HCO3-離子和Cl-離子,分別為13.42 mg/L和3.19 mg/L),游離CO2含量4.07 mg/L。

通常當土壤與河水為酸性時所含的離子具有化學活性和腐蝕性,電阻率比較低。但英布魯情況卻相反:水與土壤的電阻率很高,呈酸性且離子濃度又很低,這在國內外是非常少見的。從文獻 [1]表1-4可看出:河水電阻率與自然環(huán)境、水溫、水中礦化度有關,當水中礦化度在10 mg/L時含溶鹽的水電阻率約500 Ω?m附近,而純凈水的電阻率高達250 000 Ω?m；中國的河水電阻率在30～600 Ω?m范圍之內,但礦化度普遍約100 mg/L,河水電阻率多數(shù)為50 Ω?m左右。

分析后認為:英布魯?shù)靥師釒в炅?氣候炎熱潮濕,人煙稀少,枯死的植被容易腐敗分解成有機酸,土壤與河水中富含有酸性游離物質；同時當?shù)赜炅糠浅３渑?萊菲尼河的水量很豐富,大大地降低了水中的礦化度,使離子濃度被沖得很低,趨近于純凈水,造成其河水電阻率遠高于我國國內河流的河水電阻率。

2 接地設計原則及接地電阻值的確定

按2020年規(guī)劃英布魯水電站220 kV母線單相接地故障電流為6.5 kA,可推算出流入地網的最大短路電流約為4.88 kA。按照規(guī)程[2]的通常要求,地網電位升高值應小于2 000 V,即對應于英布魯水電站總接地電阻應小于0.41 Ω,但選用該數(shù)值作為控制值過于保守,且很難達到。

根據(jù)DL/T5091第5.1.3條[2],如按高電阻率地區(qū)的要求,在滿足接觸電位差和跨步電位差等前提下,總接地電阻值可適當放寬到5 Ω。考慮到河水相對于砂壤土電阻率低的特性,盡量去擴大水中接地網的面積,充分散流；并通過經濟技術比較以及采用各種綜合措施,以獲得既有較高的技術經濟比,又具有盡可能小接地電阻的英布魯水電站接地網設計。

3 接地體材料和截面的選擇

針對英布魯接地網帶來的可能腐蝕問題,應重點分析和研究下列情況:

(1)2003年10月現(xiàn)場調查時發(fā)現(xiàn)了1984年被遺棄在萊菲尼河邊的1只小船,雖經近20年日曬、雨淋等自然環(huán)境的侵蝕,并無明顯的銹蝕現(xiàn)象。

(2)中國對鋼接地網有著大量成功的經驗,又據(jù)國內各地對接地網的大量現(xiàn)場調查表明:鋼接地體發(fā)生腐蝕最嚴重的地方是在地表附近；越往地下的深處或水下的深處,腐蝕反而越輕。

(3)水電站內混凝土中有大量的鋼管和鋼埋件、鋼筋,假如鄰近采用銅地下接地網的話,鐵銅之間受雜散電流和原電池效應的影響大,電化學作用反而會更加速了鋼件的腐蝕。

(4)如接地體全部采用銅導體,當時(2003—2004年)銅材單價曾高達鍍鋅鋼材單價的10倍左右,全銅接地網的一次性投資較大。

在分析了銅鐵接地體各自利弊的實例以及技術經濟綜合比較之后,選定了以鍍鋅扁鋼為主體的鋼銅混合接地網是比較合理的；再考慮到酸性腐蝕作用,埋在水下和地下的鍍鋅扁鋼厚度選大二級規(guī)格,以抵償自然腐蝕。同時按照剛果 (布)的要求,從有利于防腐考慮,將各電氣設備接地分支的末端連接線改為銅絞線,而銅鋼接地線的相互連接點采用放熱熔焊的特殊焊接工藝措施。

根據(jù)中國實際經驗,在pH值小于6.5的有腐蝕性土壤,扁鋼腐蝕量取0.1～0.2 mm/a[3],電氣設備和接地導體耐腐蝕計算的使用壽命都按30年考慮。英布魯水電站所在區(qū)域的河水和土壤pH值在5左右,考慮到酸性腐蝕作用,位于水下及開關站的接地體腐蝕量按0.2 mm/a計算,廠房內混凝土表面的接地體腐蝕量按0.1 mm/a計算,30年后的扁鋼剩余最小厚度仍要保證大于6 mm,因此主接地網選用60 mm×12 mm的鍍鋅扁鋼,廠房內接地網選用50 mm×10 mm的鍍鋅扁鋼,均能滿足要求。

4 接地網的布置

英布魯總接地網主要分為壩前區(qū)水下接地網尾水區(qū)水下接地網、220 kV開關站接地網、廠房內接地網等4個部分,并充分利用水電站埋在地下、水下及混凝土中的鋼筋和金屬構件、軌道、鐵塔基礎等自然接地體。

壩前區(qū)死水位水深24.2 m,水下接地網面積約為11 000 m2；尾水區(qū)死水位水深10 m,水下接地網面積約為11 250 m2。作為垂直接地極的鍍鋅角鋼,布置間隔取20 m并深入到河底內部。在河床巖石上鉆孔開保護溝槽,將接地體放入后焊接構成接地網,注入水泥砂漿固定。在蓄水前用錨筋或壓上重物將各個接點與河底牢固地拉住,以嚴防接地網被河水沖壞。

220 kV戶外開關站的接地主網,埋深0.8 m,面積約為10 800 m2；主副廠房接地網以各層面的接地扁鋼為主,相互連接。

為保證設備及人身安全,在開關站等重要部位敷設了均壓網,并在220 kV戶外開關站還鋪了4 cm厚的瀝青混凝土層,以滿足接觸電勢及跨步電勢的計算要求。、

5 接地網的簡化計算以及計算機數(shù)值分析

英布魯水電站水中和兩岸土壤的各自電阻率相差都比較大,上下游地網埋深也不同,因此受壩區(qū)深層的地質結構和散流媒質導電特性的影響較大；但沿萊菲尼河流方向的散流作用明顯強于寬度方向,接地網主要是矩形網,經過計算分析,表明英布魯接地網可以簡化為兩層土壤地網結構。

運用雙層土壤接地的近似計算公式[2、4]進行初步計算,得出英布魯水電站接地網總接地電阻約為2.95 Ω,其中:河水電阻率取1 130 Ω?m,河床電阻率取2 300 Ω?m；開關站接地網按土壤電阻率5 460 Ω?m算出其接地電阻為26.65 Ω；壩前區(qū)接地網查出復合電阻率公式中的修正系數(shù)為0.23,算出其接地電阻為6.622 Ω；尾水區(qū)接地網查出的修正系數(shù)K值為0.24,算出其接地電阻為6.661 Ω。

由武漢大學文習山教授采用計算機邊界元數(shù)值分析方法,為英布魯水電站接地設計進行復核并提供技術支持,對英布魯水電站接地網進行了詳細的接地計算,編制了實用數(shù)學模型和計算軟件。在對水和土壤導電特性的差異、大壩上下游水位差、土壤深度和寬度方向的分層結構以及河床形狀不規(guī)則特征的分析比較后,經簡化建立起比較合理的水平雙層結構物理模型。由此列出了散流媒質中電流場的控制微分方程組及其所滿足的邊界條件,由邊界元直接列式,采用以地面為界面的半無限域中拉普拉斯方程的基本解,推導出域內積分方程和邊界方程。然后再離散為代數(shù)方程,簡化代數(shù)方程組系數(shù)矩陣,求解代數(shù)方程組,獲得了邊界節(jié)點上的未知量。同時分析驗證了計算模型的合理性和數(shù)值計算結果的正確性,計算了英布魯水電站接地地網尺寸、埋深對接地體接地電阻的影響,并對材質、參數(shù)、跨步電勢和接觸電勢等進行分析。對不同面積大小 (23 700～60 000 m2)接地網方案下計算機算出的接地電阻值在2.39～4 Ω范圍,選定了其中3 Ω左右的接地網方案。

6 接地電阻的現(xiàn)場測量

英布魯水電站主接地網最大對角線的距離約600m,現(xiàn)場采用CDWZ03型大地網接地電阻測試儀進行測量,采用平行布線法,電流極距主廠房主接地網約2 600 m,電壓極距主廠房主接地網約1 700 m。分別在進水口接地分網、220 kV開關站、主副廠房取5個點進行了11次測試,測得的電阻值誤差在1%～3%之間,取平均值2.4 Ω。從目前英布魯水電站的接地電阻測試結果和運行情況表明,接地設計取得了較好的效果,通過了業(yè)主及咨詢公司的驗收。

7 結 語

(1)英布魯水電站雖然水與土壤的電阻率都非常高,但在保證接地網有足夠大面積的前提下,采取以擴大水下接地網面積為主的綜合接地措施,能明顯減小總接地電阻數(shù)值。

(2)為節(jié)省投資、延長使用壽命、減輕酸性腐蝕,水電站采用了以鍍鋅扁鋼為主的鋼銅混合接地網,用放熱焊接特殊工藝連接鋼銅,主接地體選用了60 mm×12 mm鍍鋅扁鋼。

(3)對接地網進行了初步簡化計算,并經武漢大學計算機數(shù)值計算的復核和分析,近似公式與計算機兩種計算方法所得出的接地電阻值很接近,水電站總接地電阻值均在3 Ω左右,能滿足規(guī)范所允許的高電阻率地區(qū)接地電阻值小于5 Ω的要求。

(4)英布魯水電站現(xiàn)場實測的工頻接地電阻平均值為2.4 Ω,實測結果略小于計算值。

[1] 曾永林.接地技術[M].北京:水利水電出版社,1979.

[2] DL/T5091—1999,水利發(fā)電廠接地設計技術導則[S].

[3] 李景祿.實用電力接地技術[M].北京:中國電力出版社,2002.

[4] 水電站和電設計手冊編寫組.水電站機電設計手冊[M].北京:水利水電出版社,1982.