基于 CDEGS软件设计的下水库接地网改造

冯海超，陆 胜，姜跃东 ，郑智勇，杨廷方，高海欧

（1.华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司，浙江省安吉 310032；2.长沙科智防雷工程有限公司，湖南省长沙市 410005）

0 引言

天荒坪抽水蓄能电站接地网于1998 年正式投运。该抽水蓄能电站的下水库接地网为电站的主地网。经过多年的运行，土壤的腐蚀性造成了多处接地极材料锈蚀[1-4]，使得接地网的接地电阻超标。经测量，接地电阻高达1.4Ω，严重地影响了电站运行的可靠性，因此有必要对该电站接地网进行改造[5-8]。本文利用CDEGS 软件，对该抽水蓄能电站水库区域的地质情况拟合分析，构建土层模型；然后通进行经济比较和优化分析，设计出了符合安全标准的水下接地网。

1 下水库接地网建模仿真

1.1 土壤参数拟合及土层模型构建

在土壤各个参数中，土壤电阻率与接地网的设计方案及性能息息相关，其大小直接影响到接地网的接地电阻大小。同时，该参数是否准确，也直接影响到土壤分层模型的精确构建。因此，准确测量土壤电阻率，是接地网设计的第一步，也是最重要的一步。本次的接地网设计采用等间距Wenner四极法测量，如图1所示，a为极间距离。

在电站下水库周边区域，通过改变极间距离a，测量视在土壤电阻率ρ，测量结果如表1所示。

图1 四极法测量土壤电阻率原理图Figure 1 Schematic diagram of soil resistivity measurement by four electrode method

表1 电站下水库视在土壤电阻率测量Table 1 Soil resistivity measurement of power station reservoir

续表

根据测量结果，利用CDEGS软件的RESAP模块对土壤结构进行拟合和仿真计算，结果如图2（各坐标轴采用对数显示）和图3所示。其中，图2为CDEGS软件拟合出来的下水库土壤的分层情况，图3为CDEGS软件计算出来的下水库土壤每层厚度及相应的土壤电阻率大小。

图2 土壤参数拟合结果Figure 2 Fitting results of soil parameters

图3 土层参数仿真结果Figure 3 Simulation results of soil parameters

由图2和图3可知，该水电站下水库区域土壤为三层土壤结构。其中，第一层土壤厚度为4.1m；土壤电阻率为56.5Ω·m；第二层土壤厚度为73.0m；土壤电阻率为141.4Ω·m。底层土壤电阻率为1009.5Ω·m。另外经测量，下水库的水电阻率为220Ω·m。

1.2 接地网模拟设计及仿真

通过CDEGS软件的RESAP模块，计算得到各土层的土壤电阻率及厚度后，再在CDEGS软件中，依照下水库的形状和地貌特点，利用MALZ模块建立下水库接地网仿真模型，如图4所示。

图4 下水库接地网仿真模型Figure 4 Simulation model of grounding grid in power station reservoir

1.3 接地网模型仿真安全性能参数仿真计算

1.3.1 接地电阻仿真计算

在CDEGS软件系统，通过不断地调整敷设水底的铜绞线即水平接地体的长度，来确定接地电阻是否满足要求。随着水平接地体的不断延长，接地网面积增加，接地电阻会不断地下降。当水平接地体长度大约为1km时，测得接地电阻为0.61Ω。另外，当网格由100m×100m变成50m×50m，再变成10m×10m时，接地电阻也下降。经过经济技术比较，最终的接地网网格确定为10m×10m，且水下水平接地体长度为1km。经计算，此时接地网的接地电阻R为0.489Ω，小于设计目标值0.5Ω，满足要求。

1.3.2 跨步电压仿真计算

通过软件CDEGS在地网上注入10kA电流，测得接地网的最大跨步电压为461.25V，小于接地网跨步电压上限值为526.28V，满足要求。在仿真过程发现接地网的网格越小，接地导体越密，跨步电压就越小，接地电阻也会下降。但当接地体密集到一定程度时，对接地电阻的变化就不再起作用了。仿真结果如图5所示，由图中可知，接地网边缘处跨步电压比较高，但都满足要求。

1.3.3 接触电压仿真计算

通过软件CDEGS测得接地网的最大接触电压为349.56V，小于接触电压上限值为375.01V，满足要求。仿真结果如图6所示。

图5 接地网模型跨步电压分布图Figure 5 Step voltage distribution diagram of grounding grid model

图6 接触电压分布图Figure 6 Touch voltage distribution diagram

2 水下接地网设计方案

该抽水蓄能电站下水库呈南北长、东西窄状。根据CDEGS软件仿真结果，以及下水库的形状和地形特点，得到下水库接地网的实际设计方案及布置图如图7所示。下水库接地网的接地导体主要分为南北线和东西线。南北1～4号线分别位于左岸330m高程、310m高程、右岸310m高程、330m高程的边坡上，全长1.3km。东西1号线在观景平台旁，并与原有接地网连接导通。东西31号线在库尾。东西1～31号线每线间隔30m，与南北线形成网格敷设于整个下水库区。在下水库的地网焊接过程中，将下水库的新增地网与重力拱坝、深孔、溢流孔、导流明渠、进水口、开关站、主厂房、尾水洞等地方敷设的接地导体连接起来。这样大大增加了地网的可靠性和面积。

图 7 下水库接地网布置图Figure 7 Layout of grounding grid of power station reservoir

3 水下接地网施工

接地网的施工非常重要，直接关系到接地网的质量。下水库接地网的接地铜绞线的固定每间隔2m一个固定桩。新增接地网的南北1、2号线在下库水位计室下方与消防水池之间，与原地网的铜绞线分别进行了可靠焊接。左、右两岸的南北向接地线延伸至大坝处合二为一，再一直延伸到大坝下游的深水潭北端浅滩侧。下库的接地网网格采用10m×10m的网格，均采用放热焊接，如图8所示。经计算，整个接地网大约5万m2。

在新、老接地网相交处，也进行了多处放热焊接。为了保证每个焊点焊接质量的可靠性，每个焊点都进行了导通电阻测试，如图9所示，所有阻值都在20μ Ω以下。

图9 接地网导通电阻测试Figure 9 On-resistance test of grounding grid

在接地母线易腐蚀及易机械损伤区域，浇筑300mm×300mm导电水泥混凝土进行保护接地母线。为了保证铜绞线稳固在水底不被水流冲走，还经过制模、浇筑、定型、养护后制作了重力锤，如图10所示。重力锤在下放水底之前，要与接地体进行焊接和紧固。

图10 重力锤制作Figure 10 Gravity hammer manufacture

4 接地网检测

接地施工完毕后，根据DL/T 475—2017《接地装置特性参数测量导则》的有关要求，为了减少干扰，采用远离夹角法，进行接地网的接地电阻测量。在测量方案中，电压线和电流线的放线路径如图11所示。

图11 电压线和电流线的放线路径Figure 11 Placement route of voltage line and current line

经测量，接地网的接地电阻为0.47Ω。按照DL/T 475—2017《接地装置特性参数测量导则》的要求，最终的接地电阻修正值约为0.5Ω，没有超过目标值0.5Ω，故接地电阻合格。且接触电压、跨步电压后经试验检测均合格，故本次接地网改造满足要求。

5 结束语

本文在设计过程中，采用CDEGS 软件的RESAP模块，精确计算出了各土层的土壤电阻率及厚度，构建了土层模型。然后在CDEGS软件中，利用MALZ模块建立下水库接地网仿真模型。通过软件系统，不断地调整水平接地体的长度，来确定接地电阻大小，并优化了网格的大小。经过经济技术比较，最终确定了接地网的设计方案，节约了大量的人力、物力和成本。为大型接地网的改造和设计提供了一种思路。