大型抽水蓄能电站水下接地网改造优化设计

滕跃 张洪坤 郑智勇 杨廷方

摘  要：针对白山抽水蓄能电站原接地网严重锈蚀、接地电阻超标情况进行接地网改造。根据其高土壤电阻率的地貌特性，提出敷设水下网箱式接地网，灌注导电混凝土并利用岸边渗透水降阻的改造方案。利用CDEGS软件对水下网箱式接地网的接地电阻、跨步电压和接触电压进行计算和优化分析，并对其敷设距离进行准确计算。仿真计算和现场实测结果表明，该改造方案达到了预期的效果，能满足电力系统的运行要求。

关键词：接地电阻;高土壤电阻率;CDEGS;水下网箱式接地网

0    引言

吉林白山发电厂是一座大型的抽水蓄能电站，在东北电力系统中承担着调峰、调频以及系统事故备用的重要任务。该电站附近地理环境复杂，水库左右（东西）两岸地质地理条件存在较大差异，东岸河床狭窄，西岸边坡陡峭，其主地网主要是由大坝基础区域地网和大坝下游方向左右两岸区域接地网组成。由于长期运行，土壤的腐蚀性造成了接地极材料锈蚀[1-3]，导致了接地电阻超标，并严重影响了该电站设备的安全运行以及人身安全，因此有必要对其地网进行改造。

本文针对该电站主接地网接地电阻超标情况，结合高土壤电阻率的地形特性，采用CDEGS软件进行仿真计算，提出了敷设水下网箱式接地网的改造方案，并对水下接地网敷设距离进行了优化。

1    水下网箱式接地网总体设计方案

1.1    抽水蓄能电站土壤结构分析

通常土壤电阻率与土壤的潮湿程度密切相关，为使测量值接近真实值，通常选取土壤较为干燥和土壤未冻结的时期进行测量。本次土壤电阻率测量方法采用Wenner法[4-5]，其接线原理图如图1所示。

为使计算简便，测量时通常取四电极间距相等，则视在电阻率（ρ）的计算公式为：

ρ=                   （1）

为得到较合理的土壤电阻率数据，通过改变极间距离a，求得视在土壤电阻率ρ与极间距离a之间的关系曲线ρ=f（a）。极间距离的取值为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。极距与视在土壤电阻率的关系如表1所示。

根据测量结果，利用CDEGS软件的RESAP模块对土壤结构进行仿真，仿真结果如图2所示（各坐标轴采用对数显示）。由仿真结果可知，该电站站址附近土壤为两层土壤结构，具体情况如表2所示。

另外，经测量，水的电阻率为100 Ω·m，水平均深为150 m。

1.2    接地网改造总体方案设计

考虑到水库中水位相对稳定，提出了敷设水下网箱式接地网的设计方案。水下网箱式接地网的接地体采用240 mm2铜覆钢绞线，并在水库上游右岸（西岸）和左岸（东岸）布置深井接地锚桩，灌注导电混凝土，既能固定铜绞线，防止电极腐蚀，又能作为垂直接地极通过岸边的渗透水将电流散失，起到降低接地电阻的效果。为了防止接地网遭受人为破坏，将整个水下接地网敷设在平均最低水位以下，接地网在水平面投影面积为800×2 000 m2。

2    接地网工频参数计算

2.1    接地电阻

根据中华人民共和国能源行业标准《水力发电厂接地设计技术导则》（NB/T 35050—2015）中的要求，有效接地系统的水力发电厂接地装置的接地电阻应该满足：

R≤          （2）

式中，R为考虑季节变化的最大接地电阻（Ω）;I为计算用流经接地装置的最大入地电流（A，有效值）。

经查，该电站最大运行方式下220 kV母线单相接地电流为6.0 kA左右。根据公式（2）可计算出本期工程接地网接地电阻的设计值为0.31 Ω。

2.2    跨步电压

根据《水力发电厂接地设计技术导则》（NB/T 35050—2015）的第7.2.1条款要求，可计算出本期工程接地网跨步电压上限值为732.46 V。

2.3    接触电压

根据《水力发电厂接地设计技术导则》（NB/T 35050—2015）的第7.2.1條款要求，可计算出本期工程接地网接触电压上限值为362.01 V。

3    接地网仿真设计

3.1    接地网安全性能参数仿真

由于测量得到的土壤模型为分层模型，根据表1和表2所测数据，在CDEGS中建立如图3所示的接地网仿真模型。将重力拱坝、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，并在CDEGS软件的RESAP模块中将水库的土壤模型设置为空气与土壤水平分层。其中土壤共分三层，第一层的电阻率为水的电阻率，即100 Ω·m，深度为150 m;第二层的电阻率为124.64 Ω·m，深度为44.06 m;第三层的电阻率为1 012.68 Ω·m。水坝和引水管的土壤模型结构类似，不含水层。

3.1.1    接地电阻

通过软件CDEGS在地网上注入电流，CDEGS软件计算出的接地阻抗为0.297 Ω，阻抗角为3.7°，则地网的接地电阻R为0.29 Ω，小于设计允许值0.31 Ω，满足要求。

3.1.2    跨步电压

通过软件CDEGS在地网上注入电流，测得接地网最大跨步电压为377.51 V，小于接地网跨步电压上限值为732.46 V，满足要求。仿真结果如图4所示，由图可知，接地网边缘处跨步电压比较高。

3.1.3    接触电压

通过软件CDEGS在地网上注入电流，测得接地网最大接触电压为239.75 V，小于接触电压上限值为362.01 V，满足要求。仿真结果如图5所示。

3.2    接地网敷设距离计算

为了减小地网自身的阻抗和大坝接地网的屏蔽，在坝前200 m处布置第一根硬铜绞线，利用CDEGS软件确定接地网的敷设距离（将大坝前200 m处设为0 m）。该电站接地网接地电阻与敷设铜绞线的距离之间的关系如表3所示。

根据CDGES软件计算结果及以上分析可知，当敷设铜绞线的距离大于1 600 m后，接地电阻有可能小于0.31 Ω。若考虑一定的裕度，在实际中可敷设接地网到达与大坝前200 m处距离2 000 m的位置。且由表3可知，接地网越长，阻抗角越大，即接地阻抗的感性分量越明显，这与接地网的设计理论相符。

4    水下接地网施工及测试

由上述分析可知，水下接地网在坝前200 m布置第一根水平接地体，采用240 mm2硬铜绞线;从第二根水平接地体开始采用120 mm2硬铜绞线、间距100 m横跨水库加重力锤沉入库底;最后一根水平接地体也采用240 mm2硬铜绞线，且中间再布置4根120 mm2硬铜绞线纵向连接。岸边南北方向的深井接地采用240 mm2铜绞线连接到左右两岸电站接地体。水下地网采用多根240 mm2铜绞线连接到大坝。水下每个交叉点都采取热熔焊做电气连接，并用沥青做防腐处理。为了防止被盗、船锚拖动等人为破坏，在水库两岸离岸50 m处，引流线在水下接地网两岸的锚桩锚固后再分别与120 mm2铜绞线连接，构成闭合回路，形成网箱式立体接地网。

接地网施工完毕后，根据《接地装置特性参数测量导则》（DL/T 475—2017）的要求进行接地网测试，结果显示接地网的接地电阻（0.30 Ω）、接触电压、跨步电压均满足要求。

5    结论

（1）对测得的土壤电阻率应仔细建模分析，为接地网的设计提供准确可靠的土壤电阻率模型。

（2）大范围土壤电阻率对接地阻抗的幅值和相角影响都很大。接地阻抗的感性分量随着接地网的面积增加而减小。

（3）在高土壤电阻率地区的电站，可以利用水库中水位相对稳定等特点，敷设水下网箱式接地网，以降低地网的接地电阻。

[参考文献]

[1] 接地装置特性参数测量导则：DL/T 475—2017[S].

[2] 李景祿，杨廷方，周羽生.接地降阻应用及存在问题分析[J].高电压技术，2004，30（3）：65-66.

[3] 徐华，文习山，黄玲.大型变电站接地网的优化设计[J].高电压技术，2005，31（12）：63-65.

[4] 杨匀阳，张春辉，张雨，等.某110 kV变电站接地网问题分析与改造措施[J].供用电，2014（11）：57-60.

[5] 李谦.电力系统接地网特性参数测量及其应用[M].北京：中国电力出版社，2013.

收稿日期：2020-04-07

作者简介：滕跃（1974—），男，吉林人，高级工程师，研究方向：电气主设备运维。