大型抽水蓄能電站接地降阻措施的探討

鄭 暉，李 昭，蔡望奇，李既明，鄧杰文，滿超楠

（1.長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410076；2.珠海電力設計院有限公司，廣東 珠海 519000；3.科智防雷工程公司，長沙 410076）

合格的接地網是保證抽水蓄能電站安全穩定運行的重要條件，接地電阻是接地網主要的技術指標之一。

位于山區的某大型抽水蓄能電站（以下簡稱電站），所處地理位置大多為山巖，土壤電阻率較高，2005年對電站原有接地網測試顯示平均接地電阻為1.14 Ω，根據參考文獻[1]中要求，實際接地電阻值已不能滿足規程要求，迫切需要對電站接地網進行降阻改造。

1 電站接地電阻超標原因分析

1.1 地質原因

經過對電站上、下水庫周圍地形的實地調查，發現電站周邊地形多為巖石山地，土壤多為風化石土質，固水性能差，沙石粒偏多，導致土壤電阻率非常高，經過對多處山巖地段的土壤電阻率試驗，電阻率一般可達2000 Ωm以上。

1.2 原接地網設計不合理

原接地網設計受到地理條件的局限影響，接地網面積不夠大。接地網由上水庫地網、引水隧洞接地體、尾水隧道接地體、廠房洞群接地網、500kV開關站區接地網、下水庫接地網和若干垂直深井接地極組成，接地網面積：上水庫約16000 m2，中控樓和開關站區域8720 m2，下水庫約51000 m2，地網最大對角尺寸接近2000 m。影響接地電阻的主要因素是下水庫接地網，但由于電站下水庫庫容較小，水位淺，水下接地網面積不足，且呈狹長條形，影響了接地網的散流效果，從而也影響了接地電阻的降低。

1.3 接地網腐蝕、斷裂

由于電站原接地網運行時間已經長達12年之久，且缺少日常維護，各區域之間都存在不同程度腐蝕和斷裂的情況，導致接地電阻值進一步增大。

2 電站地形分析

采用四級法進行了土壤電阻率測量[2]，下水庫沿岸電阻率高達3000 Ω·m左右，庫水電阻率也較高，且庫水深度很淺，水面很窄，庫底基本由巖石構成。圍繞上水庫且距離發電機廠房半徑2000 m范圍的地勢較平坦的地域，可分為區域1—區域6共6塊，其中區域1是西副壩建筑物；區域2—區域5分別是竹林、滑雪場、拓展中心、觀景臺區域，地勢平坦，土壤多為粘土，固水性能好；區域6雖地勢平坦，但表層多為細小的沙石，下層為堅硬的巖石，植被稀少，土壤固水性能差。6塊區域的分布圖、土壤電阻率測量點及測量方向如圖1所示。

圖1 上水庫6塊區域土壤電阻率測量點及測量方向

對每個測點分別進行極間距為5 m，10 m，20 m，30 m，50 m，70 m時的土壤電阻率測量，結果顯示，區域2—區域5表層的土壤電阻率在450～700 Ω·m，而在極間距取50 m，即實測電阻率深度為37.5 m以下時，土壤電阻率在1000 Ω·m左右，且逐漸增大，可以推斷出山體下層為巖石地質，區域6土壤電阻率很大，均在2000 Ω·m以上。

3 綜合降阻措施分析

3.1 利用自然接地體降阻

在接地工程中，可以利用混凝土結構物中的鋼筋骨架、金屬結構物以及上下水、金屬管道等自然接地體來減小接地電阻。區域1（西副壩建筑物）位于上水庫西南方，面積8310 m2，距發電機廠房直線距離1.35 km，區域1的地基入地很深，可以將其利用為自然接地體，通過連接線將其并入主地網，能夠有效的降低主接地網接地電阻。

3.2 采用深井式接地極

當土壤為均勻土壤，或者土壤為不均勻土壤，土壤在垂直于地面的方向上分層，且下層土壤的電阻率遠遠小于上層土壤的電阻率時，可以采用深井式接地極來降阻。由于下水庫周邊環境大部分為巖石山地，深層的土壤電阻率也很高，深井接地無論是經濟上還是從效果上都難以達到預期的目標。對于上水庫區，由土壤電阻率的測量結果可知，其周邊6塊區域土壤電阻率在垂直于地面的方向上分層，且下層土壤的電阻率遠遠大于上層土壤的電阻率，因此，均不適合采用深井式接地極。

3.3 單個區域的外延地網設計

上水庫周邊的區域2—區域5地勢平坦且上層土壤電阻率較低，適合做外延地網，可以通過在上述區域做外延地網來降低主地網接地電阻。

以區域2為例，區域2的加權平均土壤電阻率 ρ2=758.38 Ω·m。

如圖2所示，外引接地體面積為20700 m2，15 m×15 m的網格布置。接地體使用27×12/0.85（標稱截面為 120 mm2，計算外徑為 17.3 mm2）的銅絞線，埋深為1 m。在接地體交點處做垂直接地極，接地極使用長為1 m的Φ20 mm銅接地棒。將參數代入有關公式可求得接地電阻R2=2.72 Ω。

參照區域2的外延地網設計，同時對區域3、區域4和區域5進行外延地網設計改造，各區域改造后的接地電阻值如表1所示。圖3為各區域的外延地網設計及連接圖。

為了保證每個區域的可靠連接，各區域內部接地網和各區域之間均采用3根185 mm2的銅絞線連接，然后通過2根185 mm2的銅絞線與上水庫原主接地網連接。連接線電阻值R連接=0.35 Ω，同時連接線為接地網的射線，起到降阻作用，可計算出射線降阻R6=1.05 Ω。

圖2 上水庫區域2外延接地網

表1 各區域改造后的接地電阻

圖3 各區域的外延地網設計及連接

3.4 敷設水下地網

建站之初，因擔心影響壩基滲漏，沒有直接在下水庫區埋設接地網，而從交泄洞和導流洞迂回形成1塊接地網，且由于地勢的限制，原有水下接地網面積不足。由于庫水電阻率較高，且庫水深度很淺，水面很窄，庫底基本由巖石構成，對下水庫無法進行水下地網敷設。上水庫庫水表面積約為320896 m2，原有地網面積約為16000 m2，敷設在上水庫閘門處和水庫廊道中，可見原有地網利用的面積有限。

由于電站利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負荷高峰期再放水至下水庫發電，水庫里的水位不穩定，同時在水庫竣工之后，庫底已經澆灌了隔水材料和混凝土，考慮到施工難度，無法在庫底進行擴網。

3.5 采用降阻劑人工改善土壤電阻率

施加降阻劑不僅起到降低接地網接地電阻的作用，還能起到防腐蝕和均壓作用。對于上水庫的外延地網區域2—區域5，由于接地體主干線及接地網連接線為主要的泄流通道，可在周圍敷設截面為0.2 m×0.2 m的GPF-94a高效膨潤土降阻防腐劑，考慮屏蔽因素，均壓網格水平接地體周圍間隔敷設截面為0.2m×0.15m的和0.15m×0.15 m GPF-94a高效膨潤土降阻防腐劑，起降阻、防腐和均壓作用。

3.6 其他措施

針對原接地網出現的腐蝕、斷裂情況，在對接地網進行改造施工時，要將接地網腐蝕的部分進行更換，對斷裂的部分重新連接。同時，在日常運行時要注意維護，對電站內主接地網要每隔幾年進行一次接地網導通測試，以便發現問題并及時整改。

4 降阻方案的計算分析

4.1 接地電阻驗算

改造前，電站原地網的接地電阻值為1.14 Ω，利用上水庫6塊區域增設接地網，各個區域的接地電阻值為： R2=2.72 Ω，R3=3.12 Ω，R4=3.64 Ω，R5=1.88 Ω，射線接地體的接地電阻R6=1.05 Ω；連接線總電阻R連接=0.35 Ω，并考慮并聯系數，可得R外總=0.82 Ω。并入原地網計算得出總接地電阻R總=R外總‖1.14=0.48 Ω＜0.5 Ω，符合規程要求。

4.2 熱穩定要求驗算

根據計算，接地線和接地網主干線的熱穩定截面不得小于162.30 mm2，外延接地網與主接地網的連接線及水平接地網主干線（四周）采用27×12/0.85（標稱截面為185 mm2，計算外徑為21.73 mm）的銅絞線。由于接地電流經接地引線入外延地網后，由2根長度為800 m和1200 m的銅絞線分流，考慮電流在2根導體中按3∶2的比例分配，則從熱穩定的要求出發，可以取地網接地導體的截面為接地主干線截面的60%，所以區域2、區域3和區域5的水平接地體采用27×12/0.85（標稱截面為120 mm2，計算外徑為17.38 mm）的銅絞線。

考慮到區域4外圍沒有圍欄，接地體容易被盜，所以接地體采用Φ16 mm的鍍鋅圓鋼，同時在周圍敷設GPF-94高效膨潤土降阻劑，減小腐蝕。經后面計算可得5塊區域中單塊區域的接地電阻值相差不大，考慮4塊區域的分流，那么流入區域4的電流最多為總電流的1/4，可得出鋼的熱穩定截面積為486.89 mm2，取1/4截面為121.72 mm2，而采用Φ16 mm的鍍鋅鋼，截面積為200.96 mm2，也符合熱穩定要求。

4.3 最大跨步電壓驗算

以區域2為例，根據規程，可計算出地面最大跨步電壓Usmax=273.45 V＜656.76 V，滿足跨步電壓的要求。

參照區域2最大跨步電壓驗算的方法，對區域3、區域4和區域5同樣進行了最大跨步電壓的驗算，結果如表2所示，結果顯示各區域的最大跨步電壓均符合要求。

表2 各區域最大跨步電壓校驗

5 結語

該電站接地網存在的問題具有普遍性，通過現場調研，將上水庫可利用的區域分成6部分，針對這6個區域和下水庫不同的環境和地質條件，因地制宜地提出了綜合降阻措施，如利用自然接地體、外延地網、采用降阻劑，及加強日常維護等。經過計算校驗后發現，經過接地改造后的接地電阻值降低到規程要求值以下，同時滿足最大跨步電壓和熱穩定要求。經過工程改造后，現場測量電站接地電阻為0.45 Ω，與之前的計算值誤差很小，且符合規程要求，經濟有效地解決了電站的接地電阻超標問題。

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