大型抽水蓄能電站水下接地網改造優化設計

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嚴重銹蝕、接地電阻超標情況進行接地網改造。根據其高土壤電阻率的地貌特性，提出敷設水下網箱式接地網，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軟件對水下網箱式接地網的接地電阻、跨步電壓和接觸電壓進行計算和優化分析，并對其敷設距離進行準確計算。仿真計算和現場實測結果表明，該改造方案達到了預期的效果，能滿足電力系統的運行要求。

關鍵詞：接地電阻;高土壤電阻率;CDEGS;水下網箱式接地網

0? ? 引言

吉林白山發電廠是一座大型的抽水蓄能電站，在東北電力系統中承擔著調峰、調頻以及系統事故備用的重要任務。該電站附近地理環境復雜，水庫左右（東西）兩岸地質地理條件存在較大差異，東岸河床狹窄，西岸邊坡陡峭，其主地網主要是由大壩基礎區域地網和大壩下游方向左右兩岸區域接地網組成。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備的安全運行以及人身安全，因此有必要對其地網進行改造。

本文針對該電站主接地網接地電阻超標情況，結合高土壤電阻率的地形特性，采用CDEGS軟件進行仿真計算，提出了敷設水下網箱式接地網的改造方案，并對水下接地網敷設距離進行了優化。

1? ? 水下網箱式接地網總體設計方案

1.1? ? 抽水蓄能電站土壤結構分析

通常土壤電阻率與土壤的潮濕程度密切相關，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據，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系如表1所示。

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

另外，經測量，水的電阻率為100 Ω·m，水平均深為150 m。

1.2? ? 接地網改造總體方案設計

考慮到水庫中水位相對穩定，提出了敷設水下網箱式接地網的設計方案。水下網箱式接地網的接地體采用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。為了防止接地網遭受人為破壞，將整個水下接地網敷設在平均最低水位以下，接地網在水平面投影面積為800×2 000 m2。

2? ? 接地網工頻參數計算

2.1? ? 接地電阻

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

R≤? ? ? ? ? （2）

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

經查，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。根據公式（2）可計算出本期工程接地網接地電阻的設計值為0.31 Ω。

2.2? ? 跨步電壓

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

2.3? ? 接觸電壓

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

3? ? 接地網仿真設計

3.1? ? 接地網安全性能參數仿真

由于測量得到的土壤模型為分層模型，根據表1和表2所測數據，在CDEGS中建立如圖3所示的接地網仿真模型。將重力拱壩、深孔、溢流孔、導流明渠、進水口、開關站、主廠房、尾水洞等地方敷設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構類似，不含水層。

3.1.1? ? 接地電阻

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

3.1.2? ? 跨步電壓

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

3.1.3? ? 接觸電壓

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

3.2? ? 接地網敷設距離計算

為了減小地網自身的阻抗和大壩接地網的屏蔽，在壩前200 m處布置第一根硬銅絞線，利用CDEGS軟件確定接地網的敷設距離（將大壩前200 m處設為0 m）。該電站接地網接地電阻與敷設銅絞線的距離之間的關系如表3所示。

根據CDGES軟件計算結果及以上分析可知，當敷設銅絞線的距離大于1 600 m后，接地電阻有可能小于0.31 Ω。若考慮一定的裕度，在實際中可敷設接地網到達與大壩前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，這與接地網的設計理論相符。

4? ? 水下接地網施工及測試

由上述分析可知，水下接地網在壩前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兩岸的錨樁錨固后再分別與120 mm2銅絞線連接，構成閉合回路，形成網箱式立體接地網。

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

5? ? 結論

（1）對測得的土壤電阻率應仔細建模分析，為接地網的設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的面積增加而減小。

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

[參考文獻]

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[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，2004，30（3）：65-66.

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

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

[5] 李謙.電力系統接地網特性參數測量及其應用[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：電氣主設備運維。