山湾子风电场110kV升压站接地网的设计

董 杰

山湾子风电场110kV升压站系该风电场110kV屋外配电装置的运行场地,海拔高程1760m,占地约120m×90m。

场址土壤电阻率测量方法采用对称四极测深法,整个风场地质资料表明,其场地地层为第三系汉诺坝强风化玄武岩,实测视电阻率变化范围为119～419Ω◦m。根据升压站外各风机位置的地勘资料,风电场(机位测区)共26个测深点,土质分布均匀,视土壤电阻率65～349Ω◦m,多数在180Ω◦m左右 。

升压站仅有3个测点,其中供电极距AB/2＞3 m,共24个数据,上限段数值300～406Ω◦m共计5个数值,其余分布在162～279Ω◦m范围内(见表1)。

表1 升压站地质探孔视土壤电阻率表Ω◦m

由表1看出,升压站视土壤电阻率幅度变化较小,均在400Ω◦m以下,但是升压站控制楼基础最先施工时,场地开挖中发现地表岩石颇多,疑似该升压站的土质与站外风机位的资料大相径庭。

按着地质报告的论述,第四系厚度变化范围为0～3.0m,成分以碎石夹粉土或粉土为主,各点厚度不一。基底地层玄武岩风化过程较强,电阻率较稳定。

在进入工程的施工设计阶段,一般应按下列程序,逐步进展。

(1)根据电力系统中性点工作制,选择接地电阻值。

(2)根据土壤勘测资料估计土壤电阻率。

(3)根据选择的接地电阻值及估计的土壤电阻率,设计升压站接地网。

(4)地网敷设回填土后,进行接地电阻测量及验证。

1 升压站接地网接地电阻值的选择

要确定升压站接地网的电阻值,首先要进行升压站110kV单相短路电流的计算,该风电场接入系统情况简述如下。

按着本工程建成后5～10年,山湾子风电场升压站是通过一回110kV(LGJ-240)40km线路,将风电场电能送向中心变电站——普发220kV升压站。普发升压站是连接3、4个风电场的电能汇集站。普发站又通过一回220kV(LGJ-2×400)45km线路,将470mW的电能送入电力系统的枢纽站——220kV木兰站(见图1)。

图1 围场风电场群规划设计图

普发一期的1#主变压器为220kV三绕组有载变压器,容量180MWA,短路阻抗参数:U高-低=23%,U高-中=14%,U中-低=8%。为便于短路电流计算,简化计算网络图如图2。

图2 山弯子风电场短路电流计算网络图

此时将木兰站视为无穷大系统(规划的传输容量2×184.2mW),即认为短路电流的周期分量在整个短路过程中保持不变。这是基于电网的无功补偿是按分层分区和就地平衡原则设计的,并能随电压进行调整,实际是将木兰站220kV母线看成恒压源,即当山湾子升压站110kV母线发生单相短路时,不会对木兰站220kV母线侧的电压有多大影响,这样的计算假设较为合理。升压站110kV母线单相短路电流的序网计算见图3。

图3 序网计算图

2 合理估计土壤电阻率

由于升压站内地勘资料匮乏(仅3个测井),场地平整中又多见巨大岩石块,在地表观察和地质推断相矛盾时,而且第四系土壤电阻率值119～419Ω◦m,为稳妥起见设计,取高限测量值 ρ0=300Ω◦m,考虑测量前土壤比较干燥,季节系数λ取1.35,这样最终设计用土壤电阻率ρ=405Ω◦m。

根据升压站屋外配电装置布置要求,采用水平复合接地网形式,近似等间距布置,水平接地体选择为60mm×6mm的镀锌扁钢,水平接地体埋深0.8m,横向8根,竖向8根,垂直接地体为长度2.5m的镀锌钢管,共64根。接地网平面布置图如图4。

经计算,由于场地面积小,土壤电阻率高,接地电阻的理论值R=2.421Ω。超过规程计算值近1倍,不能满足接地规程的要求。

图4 升压站接地网总图(单位:mm)

地网的接地电阻主要和升压站的面积有关,本工程升压站面积100m×70m,而且面积也不会再增加,本工程采取了接地模块与外引接地两种措施,使地网的电阻减小。

3 接地模块的引入

在升压站接地网内外,不乏采用化学方法来改善接地电阻,本工程经调研采用了碳棒(模块)为垂直接地极,其原理是石墨具有较好的电子导电性能,由于接地方式不具腐蚀性,对环境不会造成污染,能保持电性能的长效性。其主要优点如下。

(1)具有稳定的降阻效果和长效性。

(2)降阻效果明显。

(3)价格较便宜。

(4)安装方便,减少施工工作量。其数学模型是:

式中,ρ1为炭的电阻率,ρ2为现场的土壤电阻率。

施工中对回填土提出了工艺要求,回填土采用电阻率低的田园土。

接地模块是一种内防腐外降阻的复合接地体,内为金属电极芯棒,由高铝硅酸盐凝固成防腐体,再与电极导电材料混凝成复合接地模块。其机理是如下。

(1)加大了接地体导流的有效直径。

(2)降低接地体与土壤接触电阻。

(3)具有吸水保湿功能,降低了周边土壤电阻率。

本工程在横纵接地扁钢的交叉点设置接地模块,共放置60块模块。考虑接地模块间的屏蔽作用,采用公式R=R单/n×η进行修正,修正系数η取0.55,修正后的接地网总电阻为1.09Ω,大于地网要求值1.08Ω。接地电阻还没有达到要求,为此,又采用了外延接地极的方式。

4 外延接地极

在对变电所周围进行认真的勘探后,发现升压站西侧土壤电阻率相对较低适合做引外接地,因此做了2条放射状水平接地体,长度30m,在水平接地体上加装了6块接地模块,经计算升压站总接地电阻为1.03Ω,小于1.08Ω,满足规程要求。

加装接地模块与引延接地形式相结合,是土壤电阻率相对较高、面积较小的升压站接地的较好的方案,适合风场升压站的特点。

该工程如期竣工,经多次测量,升压站接地网工频电阻符合设计要求(升压站的电气安装人员曾测试过为0.8Ω,电力部门在雨后一周测量为0.2Ω)。

经计算其电位差和跨步电位差如表2。

表2 电位差和跨步电位差

由表2可知最大接触电位差与对地跨步电压均满足要求。

5 结 语

纵观该工程的设计及施工的过程,此例可借鉴的经验如下。

(1)对升压站的土质分布,根据地质勘测报告的概率分析来做判据,尽管有的探孔其数据有发散性,但从区域性地质判断土壤电阻率还是可用的,也是符合正态分布规律的。

(2)从我国电力等行业使用辅助降阻剂来说,接地模块是比较经济的较成熟的产品,其理论估算值有一定的可用性。

(3)对面积较小、土壤电阻率稍高的升压站采用模块与外引接地的接地方式是一种可以推荐的方案,经济适用。

(4)单相短路电流计算,对风电场工程设计系统来说,由于较难得到合理又实用的系统参数,应根据风电场接入系统设计来摸索出一套可用的计算办法。

1 DL/T621—1997,交流电气装置的接地[S].