江源水电站接地降阻设计方法

2017-11-08甘肃省水利水电勘测设计研究院

河南水利与南水北调 2017年10期

□李鹏（甘肃省水利水电勘测设计研究院）

江源水电站接地降阻设计方法

□李鹏（甘肃省水利水电勘测设计研究院）

文章介绍水电站接地电阻的计算方法以及高土壤电阻率环境下降低水电站接地电阻的措施，重点提出一种通过采用新型电解地极的降阻方法，该方法在多石、岩石、沙石等土壤电阻率较高的环境中，可以显著降低较传统降阻措施中因增加接地网面积或挖多个深井等措施而产生的较高施工成本，并通过青海江源水电站降阻实例分析验证文中提出方法的工程实用性和有效性。

降阻；电解电极；电离子；接地；水电站

1 引言

江源水电站位于青海省门源县仙米乡的大通河干流上，是一座径流引水式无调节水电工程，装机3×14 MW，电站送出电压为110 kV，出线1回，接入青海省海北大庄110 kV变电所，新建110 kV线路15 km。江源水电站建设过程出现实测接地电阻值达不到设计要求问题，而且厂址面积有限，在有限的接地网面积内采取措施降低接地电阻是亟待解决的问题。

2 江源水电站接地现状

江源水电站所在地为多石、土壤电阻率较高的青藏高原地区，厂址所在地区地质结构复杂、扩展区域受限，江源水电站接地网设计接地电阻要求R≤0.50 Ω，其所在地区土壤电阻率ρ=129.10 Ω·m。竣工后青海省雷电防护装置检测所对江源水电站主接地网接地阻抗进行检测，测得江源水电站主接地网接地电阻实测值为0.72 Ω，检测结果显示其主接地网接地阻抗不符合相关规范要求。为保证主接地网电阻符合要求，需要对江源水电站接地网进行降阻改造。

3 接地系统降阻解析计算

接地网电阻一般采用的理论估算公式为：

式中：ρ为土壤电阻率；S为接地网面积；R为地网接地电阻。

经上式计算得知，要把接地电阻R降至0.50 Ω，需要的接地面积S约为16 666.81 m2，根据电站已实施人工接地体以及水工建筑物面积，现场达不到计算接地要求面积，而且根据上述接地阻抗公式的数学曲线可知，随着接地网面积S增大，接地网电阻R逐渐趋于饱和，所以通过增加接地面积方式接地电阻很难降下来。

在设计水电站接地网时，也可以充分利用周围环境敷设水下接地网，以降低水电站接地网的电阻，水下正方形接地网的接地电阻计算公式为：

式中：R为水下正方形接地网的电阻；h为接地网在水下的深度；ρ1为水（上层）的电阻率；ρ2为水底土壤（下层）电阻率；k为反射系数，。

式中：S为接地网的面积；L为接地网所在的导体总长；d为导体自身的直径大小。

在水下范围内，接地网电阻计算公式为：Rn=α、R。

式中：α1为大小形状不一的接地网系数；L0为大小形状不一的接地网外围的周长；R为接地网的电阻大小；S则视为未为大小形状不一的接地网总体面积。

若采用水下接地网把接地电阻R降至0.50Ω，根据ρ1=20.10 Ω· m、ρ2=130.20 Ω·m、d=0.01 m、h=10 m，代入式（2）～（5）计算可知至少需要水下2 060 m2的接地网，在崎岖陡峭不规则的河道敷设大面积的接地网是不现实的。

若采用电阻率较低的材料如降阻剂，将接地网内自身范围内的土质作为降阻剂替代品，并将其作为深井多井口的辅助，从而使得接地网与半球接地体效率等同，如下图1所示：

图1 半球接地示意图

q其中r作为该接地体的半径进行设置，其接地电阻的公式：

由土质的总体电阻率为ρ=129.10 Ω·m，将接地网的电阻大小设计值为R=0.50 Ω，经上式计算得知，需将该接地体的半径大小r扩至41 m。

由于化学降阻剂具有一定的渗透能力和扩散能力，通过在土壤中添加化学降阻剂可以降低土壤的电阻率ρ，从而降低电站的接地网电阻R，但深埋地下的降阻剂容易随雨水流失，其降阻性能很难保持稳定长效，另外一些化学降阻剂含有一些有毒性的物质，不仅会腐蚀接地极，缩短接地极的工作寿命，而且上述埋入土壤中的化学降阻剂会随雨水冲刷进入电站下游的河道，对相关流域内的生态环境造成污染，对附近人畜的健康造成危害。

如果采用打深井放降阻剂降低土壤电阻率方式，则江源水电站需要打多个41 m深的井，在高原、多石、地质结构复杂的条件下，该方式施工成本较高，且需占用较多土地,不是经济合理的降阻解决办法。

通过上述几种接地网电阻解析计算，理论上可以通过增加接地网的面积S来实现降阻的目的，实际工程中受施工条件和可利用土地的限制，无法敷设规定接地电阻值对应的接地网面积，因此需要考虑通过其他途径来改善接地网的接地阻抗。

4 新型电解地极接地系统

从上述半球接地电阻公式可知，如果能降低接地半球中的土壤电阻率ρ值，接地电阻值R值随之降低。本次降阻方案采用向土壤中施放电解质的方法来降低土壤电阻率ρ值，江源水电站最终确定通过选用新型防腐电解地极的方法降阻。电解地极是在铜管内填装无毒化合物晶体，构成施放电解质的载体，将电解电极埋于地下并与水电站主接地网连接，由于电解地极铜管上的呼吸孔可以从周围土壤中吸收水分，从而使电解地极内部的化合物晶体变为电解质溶液，该电解溶液又从呼吸孔渗出，并流入电解地极四周的土壤，从而使埋设电解地极的区域形成了成片导电率良好的电解质离子土壤，特别是在砂土、多石、岩石地质结构的区域，电解质液可向砂质粘土的纵深方向和岩石表面的四周渗透，使原来导电率极差的砂岩地质结构形成了一个良好的电解质导电通道，从而大范围地降低了土壤电阻率ρ值，同时由于铜管内是无毒化合物，该方法不会对环境造成任何污染。

设N为要达到接地电阻设计值R所需的电解地极的数量，由下列公式：

式中：R0为原地网的接地电阻；R为地网设计接地电阻；ρ为土壤电阻率；N为电解地极数量；k为系数，当：ρ＜200 Ω·m，k取3，200≤ρ＜500 Ω·m，k取4，500≤ρ＜1000 Ω·m，k取4.50，ρ≥1000 Ω·m，k取5。

代入数据R=0.50、ρ=129.10 Ω·m、k=3、R0=0.72 Ω·m，经上式计算得出采用该方法降阻时需新型电解地极的数量为4套。

江源水电站采用新型电解地极接地系统方案进行降阻，其实施方案为：在原江源水电站主接地网四周外空地，开挖地网沟（沟深≥0.80 m）敷设4条外延接地线（外延接地线采用-50×5的热镀锌扁钢），在外延接地线上埋设防腐电解地极，通过防腐电解地极上预留的接头与水电站敷设的水平接地体紧固连接，再用专用回填材将电解地极均匀覆盖，然后再用普通土回填夯实即可，站共放置新型防腐电解地极4套。