格鬧河水電站接地系統與防雷過電壓保護設計

□郭 艷（貴州省水利水電勘測設計研究院）

1 電站概況

洛澤河屬長江流域金沙水系橫江的一級支流，發源于貴州省畢節地區威寧縣楊梅南屯頭，烏蒙山北麓，流向西北，經六洞橋進草海，入溶洞至罐子窯，沿威寧、赫章兩縣邊界，向北流經羊街，折西至橫波以下沿云貴兩省邊界西北流至板橋，左岸接納支流拖洛河后，在熊家溝處向北進入云南省。在貴州出省界以上河段稱白水河（云貴界河段長29.80 km），進入云南省彝良縣始稱洛澤河，于云南大關縣匯入橫江。全流域面積5380 km2，多年平均流量65.90m3/s，河道總長156.20 km，天然落差1509m，其中，貴州省境內流域面積為2874 km2。洛澤河干流規劃的三個梯級水電站分別為紅軍橋、格鬧河、云貴橋，其中云貴橋水電站已于2014年建成投產。

格鬧河水電站工程樞紐由攔河大壩、壩身泄洪建筑物及地面式廠房組成。擋水建筑物為混凝土單曲拱壩，最大壩高48m，水庫總庫容182萬m3；工程任務為發電，電站裝機容量64MW，多年平均發電量2.34億kW·h。

格鬧河水電站發電機電壓側接線采用發電機-變壓器組單元接線，發電機單機容量為32MW，通過封閉母線與容量為40MVA的升壓變壓器相連。高壓側電壓等級為110 kV，采用單母線接線。110 kV配電裝置采用SF6全封閉組合電器。

電站大壩距離電站廠房約11 km，由于廠房所在位置沿河兩岸地勢較陡，山高谷深，山勢陡峻，因此格鬧河水電站地面廠房沿河岸布置，采用“一”字型布置方案，副廠房布置在主廠房下游側，110 kV配電裝置采用戶內GIS，布置在副廠房頂層，出線桿塔布置在副廠房頂。

2 氣象及地質情況

洛澤河流域屬亞熱帶高原濕潤季風氣候。據威寧縣氣象站歷年資料統計：多年平均氣溫10.40℃，極端最高氣溫30.60℃（1963年5月29日），極端最低氣溫-15.30℃（1977年2月9日）。多年平均降水量914.50mm，年平均相對濕度80%，雷暴日數66.40 d，屬多雷區。電站廠房的地基以灰巖、頁巖為主，屬于高電阻率區。

3 接地設計方案

3.1 接地的重要性

水電站的接地是電站電氣一次設計中的重要部分，是將電站防雷接地、工作接地、保護接地等統一連接在共同的接地網上，使全站成為一個等電位體。

近年來，偶有電站因為接地不良而雷擊壞設備、擊壞二次設備等事故發生。由于水電站一般建在山區，地形復雜，地勢險峻，造成接地網的面積受限，因此應積極研究電站接地方案，采取有效合理有效的辦法降低接地電阻，保證電站的安全運行，保障運行人員和電氣設備的安全。

3.2 接地系統設計

電站接地使用一個統一接地網，采用人工接地體和自然接地體相結合的方式。根據《交流電氣裝置的接地》的要求，接地電阻的計算公式為：R≤2000/IΩ，式中：R—考慮到季節變化的最大接地電阻（Ω）；I—接地裝置的最大入地短路電流，（A）。

按相關導則及其他水電站工程經驗取值，流經接地裝置入地短路電流為I=9.70×0.60=5.82 kA（電站110kV母線單相短路電流IZ=9.70 kA）；計算得到接地電阻R≤0.34Ω。考慮到本工程土壤電阻率較高，達到計算接地電阻值較困難，將地電位升高按5000 V考慮，則計算得到R≤0.86Ω。

3.2.1 主接地網

電站主接地網由自然接地體和人工接地網兩部分組成。自然接地體利用引水系統的鋼管和鋼筋、供排水管、機組蝸殼、尾水管、水工構筑物的金屬構架等。自然接地體和人工接地網之間至少用兩根接地干線連接，接地線采用截面為50mm×6mm的鍍鋅扁鋼或直徑18mm的鍍鋅圓鋼。全站主廠房、副廠房的接地網連接形成一個統一的接地系統。

主、副廠房均為鋼筋混凝土結構，在墻和地板中預埋多根接地干線，并與混凝土中φ18以上的鋼筋牢固焊接，使得廠房各層接地網上下并聯貫通，形成立體接地網。廠房內各級電壓的電氣設備采用暗敷與水平接地干線相連接。重要電氣設備的工作和保護接地線的連接不少于兩處。

格鬧河水電站壩區與廠房相距約11 km，不考慮將格鬧河壩區接地網作為廠房接地系統的引外接地網，壩區接地將作為獨立的接地網。

3.2.2 大接地系統

云貴橋水電站屬洛澤河流域梯級開發的第三級水電站，其壩區距離上游格鬧河水電站僅約500m。云貴橋水電站的接地系統主要由廠房接地網、壩區接地網組成，經現場實測，云貴橋電站接地系統的接地電阻值為0.88Ω。為了降低格鬧河水電站的接地電阻，將與云貴橋水電站接地系統可靠相連，最終形成“云貴橋廠房接地網—云貴橋壩區接地網—格鬧河廠房接地網”的大接地系統，有效降低兩站接地電阻。

由于水電站地理位置的局限性及地質情況的特殊性，在水庫中敷設水下接地網成為降低水電站工頻接地電阻重要和必要的措施。水的電阻率較小，貴州省內河流水的電阻率一般在50Ω·m左右，由云貴橋水電站接地系統設計可知，已在壩前庫底敷設了一個采用50mm×6mm的鍍鋅扁鋼焊接成的面積為80m×60m的水下接地網，其中有20m×20m的網格共計12個，采用鉆孔錨樁固定水下接地網，并用大石壓住。另外，云貴橋水電站采用混凝土重力壩，浸泡在水中的鋼筋混凝土的導電率接近水的導電率，因此利用大壩混凝土面板中的結構鋼筋，將其焊接成網孔為25m×25m的接地網，預埋接地扁鋼與之牢靠焊接。引出4根接地干線向上與壩頂接地網相連，同時向下引出4根接地干線與庫區水下接地網可靠相連，形成統一的壩區接地網。最終大壩接地網與云貴橋主廠房接地網直接通過2根接地干線連接。

經上述分析可知，僅靠格鬧河電站廠房部位敷設接地網肯定不能滿足接地電阻≤0.86Ω 的要求，于是為了降低格鬧河水電站的接地電阻，將從副廠房變壓器室高程引出2根接地干線，埋設于公路兩側敷設至下游云貴橋水電站壩區，與壩區現有接地網牢固相連。這樣就將兩個相互獨立的接地網并聯成為一個閉合的大接地系統。

3.2.3 均衡地位接地在主、副廠房的鋼筋混凝土結構中沿廠房柱內，每隔4～5m距離選定1～2根垂直鋼筋與房頂及地板內表層水平鋼筋焊牢，從而形成一個屏蔽網，它們與接地干線的連接使整個結構地位均衡。此外在GIS室、高壓開關室、110 kV出線場內敷設方孔均壓網。

3.2.4 GIS接地

為了保證GIS外殼可靠接地，GIS采取多點接地方式，并設置專用的接地母線，所有外殼接地引線應直接接在接地母線上，接地母線兩端與接地網相連。

3.3 接地電阻測算

根據格鬧河水電站樞紐布置可知，廠房布置位置地勢狹窄，110 kV配電裝置采用GIS，出線場布置在副廠房屋頂上，并且格鬧河壩區相距廠房較遠。這樣，既無大面積的升壓站用來敷設人工接地網，也不能將本站壩區接地網作為外延接地網。經計算，廠房各層的接地網面積共為104m2，根據《交流電氣裝置的接地》中人工接地體的工頻接地電阻的估算公式

式中：R—接地裝置的工頻接地電阻，Ω；ρ—土壤電阻率Ω·m；s—地網面積，m2。

由上式計算得格鬧河電站廠房部分接地電阻約為10Ω，遠遠大于接地電阻的要求，故必須作降阻處理。現在已測得云貴橋水電站的接地電阻值為0.88Ω，經2根接地干線將格鬧河電站和云貴橋電站兩個獨立接地網并聯后計算得接地電阻值為0.80＜0.86Ω，滿足要求。由此可知，水電站的接地應充分利用水下接地網進行降阻。

4 防雷過電壓保護

4.1 直擊雷保護

主廠房屋面采用輕型鋼結構、副廠房為鋼筋混凝土結構，防直擊雷措施是在屋頂敷設一圈避雷帶。110 kV出線場布置在副廠房屋頂，110 kV線路全線架設避雷線，其保護范圍可將出線場設備覆蓋。

4.2 過電壓保護

按“水力發電廠過電壓保護和絕緣設計技術導則”要求，分別在主變低壓側、中性點裝設一組氧化鋅避雷器，同時在110 kV母線和110 kV出線側配置一組氧化鋅避雷器作為防止雷電入侵波過電壓保護。

5 結語

通過對格鬧河水電站的接地系統設計分析，并結合其他水電站接地系統的設計和實施經驗，得出水電站雖然存在地形限制，導致接地網面積小，且土壤電阻率高等多重原因，但應充分利用水的電阻率低的優勢，發揮其降阻作用。針對格鬧河水電站，自身地形限制導致接地網面積受限，接地電阻不滿足要求，但通過與下游云貴橋水電站壩區接地網并聯后，接地電阻值得到有效降低，可見庫區水下接地網起著至關重要的作用。目前本站接地系統設計的計算參數能滿足標準要求，但仍待電站投運前后測試驗證。