龙滩水电工程接地技术研究与应用

胡镇良，陆军，王雨生

(龙滩水电开发有限公司，广西天峨547300)

0 概述

龙滩水电站位于广西天峨县，距天峨县城15 km，是红水河梯级开发中最大的水电工程。电站前期按正常蓄水位375m建设，一期装机7台，单机容量700MW；后期按正常蓄水位400m设计，二期增加2台机组。工程以500kV电压等级接入电力系统。枢纽工程包括:碾压砼重力坝、泄洪建筑物、左岸引水发电系统以及右岸二级垂直升船机等。其中，引水发电系统包括:引水隧洞、主厂房、母线洞、主变洞、尾水调压井、尾水隧洞、电缆竖井与电缆平洞、开关站和出线平台等，除开关站、出线平台及中控楼布置在地面外，其他均布置于左岸地下。2007年5月第一台机组投产发电，2008年12月一期7台机组全部投入运行。

1 龙滩水电工程地质分析

龙滩水电站坝址区河谷为较宽坦的“V”型河谷，枯水期河面高程219m，水面宽90～100m，水深13.0～19.5m，河床砂、卵砾石层厚0～6m，局部17 m，地层为三叠系下统罗楼组(T11)和中统板纳组(T2b)，T11以薄层、中厚层硅质泥板岩、硅质泥质灰岩为主，总厚度259m，T2b主要以薄～中厚层、厚层砂岩和泥板岩互层岩体，夹层凝灰岩，总厚度219.07m，其中砂岩占68.2%，泥板岩占30.8%，灰岩占1%；T2～42b、T182b、T622b层泥板岩占70%以上，是板纳组中强度相对较低的岩层。河床两侧均有基岩礁滩裸露，左岸宽10m，右岸宽40～70m。

龙滩水电工程坝址地质状况较复杂，主要以砂岩、泥板岩为主，其中岩石电阻率为100～4000Ω·m，坝址区河水与河水浅层电阻率为33.3～37.6Ω·m。

2 接地电阻的确定

目前大多数大型水电站和变电站故障时的入地网电流都超过10kA，根据《交流电气装置的接地》(DL/T-621-1997)的规定:“有效接地和低电阻接地系统中发电厂、变电所的接地装置的接地电阻R一般情况下应满足R≤2000/I”，由此相应的接地电阻R须小于或等于0.2Ω，龙滩水电工程地处多岩区，常规状态下无法满足接地电阻R小于或等于0.2Ω的要求。

根据短路电流计算结果，龙滩水电站最大单相入地短路电流为26.4kA，对有效接地系统，若接地装置的接地电阻按Ω确定，则当接地电位升高不超过2000V时，允许的接地电阻应小于或等于0.076 Ω。龙滩水电站地质电阻率为100～4000Ω·m，若满足接地电位升高不超过2000V的要求，则基本无法进行接地设计。

通过与武汉大学合作，采用数值分析方法对龙滩水电站枢纽的接地进行系统研究，发现:当地网的接地电位升高值不超过5000V时，二次设备和电缆均是安全的，因此龙滩水电工程地网的最大电位升高应控制在不超过5000V为准。

因此，龙滩水电工程按接地电位升高不超过5000V进行核算，其接地电阻应为:R≤5000/I＝5000/264000＝0.189Ω。按此接地电阻值进行设计、施工应是最为经济合理，同时也满足了安全要求。

3 接地系统方案分析

3.1 已完成接地系统实际状况

龙滩水电工程接地网主要构成:上游围堰接地网、尾水渠接地网、地下厂房接地网(包括地下主厂房和主变洞等)、500kV开关站接地网、大坝接地网(包括坝基接地网)、进水口及调压井接地网、引水发电系统接地网等。各地网之间相互连接构成整个电站的全厂接地网。各区域接地网充分利用自然接地体，如:压力钢管、蜗壳、肘管、闸门槽以及大坝、地下厂房、尾水洞、调压井、交通洞等土建结构的钢筋和锚杆等。

经计算及检测，以上已完成的龙滩水电工程接地网的接地电阻为0.37Ω，不能满足接地电阻不大于0.189Ω的要求。

3.2 已完成接地系统要点分析

(1)经计算表明，在龙滩水电工程大坝左右两岸搞电阻率地质土壤中增大面积接地网，对降低接地电阻收效甚微，即使在岸上增设一个400m×400m的大型地网，降阻效果仍然不超过20%。因此，除非设备必须，一般不采用在岸上增设或扩大地网的办法来降低电站的接地电阻。

(2)针对敷设洞群接地网，其地下厂房、主变压器室、GIS室、尾水调压室与尾水洞等均敷设接地网，并充分利用自然接地体，如锚杆、引水压力钢管、闸门槽以及遍布大坝、洞内的土建结构钢筋等。

(3)为加强冲击电流的散流效果，对500kV出线平台避雷器及避雷器下引线区域可布置适量的垂直接地极或充分利用土建结构柱的基础钢筋作为冲击电流散流体，并加强与500kV开关站接地网的连接。

3.3 龙滩水电工程接地系统实施方案的分析

3.3.1 接地系统方案分析

根据龙滩水电站枢纽范围内电阻率的分布情况，特别是坝前河水与河水浅层电阻率相对较低的实际情况，为有效降低接地电阻，经分析，建议在坝前增设库区接地网，以充分利用低电阻率的河水散流。通过多方案计算，并适当留有裕度，在坝前围堰上游敷设约80万m2的库区接地网，可使接地电阻值控制在0.189Ω以内。

3.3.2 接地网材质分析

根据总体要求，须综合耐腐蚀强度及寿价比(寿命/价格)两方面因素，按技术经济分析方法确定接地网材质的选型。

(1)从耐腐蚀方面分析，建议采用铜材。一般来讲，接地网集中存在三个方面的问题:接地体的腐蚀、截面偏小及接地体的连接不良。目前，接地网材质有热镀锌钢、合金钢、铜材等三种材质，其中:热镀锌钢在一般土壤中年平均腐蚀厚度为0.065 mm，但目前国内生产的热镀锌层一般只有0.05～0.06mm，镀层只有一年的保护作用，若加大截面办法延长使用年限，则其每年的腐蚀量也增加了，根据现场预埋试验(埋置624天)表明:与接地网连接的镀锌钢腐蚀速率不比不与接地网相连的镀锌钢腐蚀速率高，这是由于热镀锌钢接地材料在接地网杂散电流作用下，其表面锌镀层很快就被电解掉，同时根据美国金属学会《金属手册》中也不推荐碳钢在土壤中的防腐采用金属涂层、镀锌；经表面处理的合金钢CL2作为接地材料，目前尚未见在水电站或变电站接地网中普遍使用，龙滩水电工程作为国家大型重点工程，不建议采用未见大量工程验证的接地方案；若采用铜作为接地体，无需采用特殊的防腐蚀措施，可一劳永逸的解决接地网腐蚀问题。

(2)从经济角度(寿命价格比)分析，建议采用铜材。以一个220kV变电站接地装置为例，经武汉大学研究计算，各类材质作为接地引下线时的寿价比分别为:热镀锌钢为1.25，铜材为1.9，因此铜接地装置寿价比最高，热镀锌钢一次性投资虽最低，但其寿命也最低。

(3)从以上分析，可知采用铜材作为接地网材质，较为适宜，但龙滩水电工程进行库区接地网建设时，铜材价格高达7万元/t，从经济角度考虑，最终选用了铜包钢绞线作为接地网材质，这样既保证了接地网材质耐腐蚀，同时又降低了总体造价。

4 接地系统实施方案确定

(1)在现有接地系统接地电阻R=0.37Ω基础上，利用库区河水与河水浅层电阻率相对较低的有利因素，在龙滩水电工程库区新增80万mm2接地网，沿两岸高程250m和高程330m左右纵向各敷设2根接地线，跨河横向每隔100m左右敷设一根接地线，并将该库区接地网与原有接地网相连接，最终满足龙滩水电工程整个接地网系统接地电阻R≤0.189Ω。

(2)为降低龙滩水电工程接地系统接地电阻，采取阴极保护为辅。具体措施为:埋入电位更负的金属(如镁、锌、铝)作为阳极，与被保护接地网偶连，从而缓解或阻止接地网腐蚀速率，目前已在高程330 m每隔约50m埋设一套电解接地极，并与沿两岸敷设的接地线连接。

(3)为降低库区接地网工程造价，经研究确定采用185mm2铜包钢绞线作为接地线，并将库区接地网与上游围堰接地网、坝基接地网和进水口接地网采用铜包钢绞线连接，同时为保证连接的可靠性并减少接地连接线的阻抗，库区接地网与500kV开关站接地网通过4根185mm2铜绞线连接，与坝顶电缆沟及坝顶配电房接地网通过2根185mm2铜绞线连接。

5 库区接地网施工

龙滩水电站于2006年9月开始下闸蓄水，由广西地凯防雷工程有限公司于2006年9月至2007年2月对库区接地网进行施工，水库水位在高程250 m～高程330m。库区接地网中沿两岸高程250m的接地线采用水上施工，一端固定在大坝上，其余部分用船在水上放线，自然沉库定位；沿两岸高程330m接地线为岸上挖槽埋设，每隔约50m埋设一套电解接地极并与沿两岸敷设的接地线连接，电解接地极采用人工挖槽埋设。跨河横向接地线两岸固定在高程330m以上浇筑好的混凝土固定墩上，一端先在左岸固定然后用船牵引接地线驶向对岸并固定，接地线沉入河床底部。接地线的连接方式均采用铜质合金热熔焊剂焊接法。

6 接地系统实测检验

测量地网接地电阻有工频电流法和异频电流法。对于大型地网接地电阻测量，适用采用异频电流法。

龙滩水电工程整体接地系统施工完成后，于2007年4月委托广西桂能科技发展有限公司进行了接地系统电阻检测，检测方式采用电流-电压表三极直线法，检测设备为澳大利亚红相8000接地电阻测试系统。主地网对角线2060m，试验电流注入点选在500kV开关站设备接地引下线处，电流极距电流注入点9220m，电压极距电流注入点5090 m，龙滩水电工程整体接地系统实测电阻值为0.168 Ω，小于设计规定的0.189Ω。

7 结语

龙滩水电工程地质电阻率高(100～4000Ω·m)，单相入地短路电流大(26.4kA)，按常规进行的接地设计无法达到规程的要求，在确保安全的前提条件下，工频接地电位升高按5000V控制，利用库区红水河河水与河床浅层电阻率较低(33.3～37.6Ω·m)的有利因素，通过采取在库区上游红水河中敷设大范围库区接地网并与原有接地系统连接等方式，极大地降低了整体接地系统的接地电阻。按此方案实施的龙滩水电工程接地系统电阻实测为0.168Ω，小于设计值0.189Ω，满足了龙滩水电工程接地系统要求。

[1]DL/T5091-1999.水力发电厂接地设计技术导则[S].中国电力出版社,1999,(11).

[2]DL/T-621-1997.交流电气装置的接地[S].中国电力出版社,1997.

[3]程志华.二滩水电站枢纽总体布置[J].水力发电,1998,(7).