乌弄龙水电站全厂接地系统设计与施工保证措施

刘兴胜，王 超，张 晗，兰 宇，李长耘

(1.华能澜沧江水电股份有限公司乌弄龙里底水电工程建设管理局，云南 迪庆 674606;2.华北电力大学，北京 102206)

0 前 言

随着电力系统电压等级的升高、电网规模的不断扩大导致系统短路容量不断增加，流经水电站接地装置的最大入地电流值不断升高；另外因计算机监控系统、继电保护系统的普遍应用，对其所处接地系统的电位差限制要求越来越高[1]。澜沧江流域地处高山峡谷，土壤电阻率偏高。由于电站接地系统设计与施工的复杂性，流域投产的电站接地施工完成后，最终测试结果达不到设计要求的情况时有出现，给电站投产初期带来较大运行风险。一旦电站接地电阻不满足要求，则接地系统改造投入增加且实施起来困难。乌弄龙水电站在可研阶段即对全厂接地系统进行了详细设计，在施工过程中加强接地系统施工质量管控，最终接地电阻测试一次合格，满足了电站安全运行需求，避免了改造风险，也节省了改造投资。

1 电站概况及接地系统布置

乌弄龙水电站为澜沧江上游河段规划7个梯级中的第2级电站，上邻古水电站，下接里底水电站。电站安装4台单机额定容量247.5 MW的立轴混流式水轮发电机组，总装机容量990 MW。电站采用500 kV一级电压接入系统，出线2回，1回接入里底电站500 kV开关站，1回接入托巴电站500 kV开关站。发电机—变压器组合方式采用联合单元接线，以两回500 kV XLPE电缆经出线竖井引出至地面500 kV开关站。550 kV GIS由地下550 kV GIS联合单元进线间隔和地面500 kV开关站两部分组成。500 kV侧接线采用四角形接线。

乌龙弄水电站工程接地网设计由以下几个部分构成：

(1) 地下洞群接地网

地下洞群包括地下厂房、引水隧洞、尾水洞及各类交通洞等，位于大坝右岸。厂房内设备较多，侧重于均衡电势，通过分层敷设接地干线，保证与各设备的可靠连接，同时实现功能性接地、保护性接地及电磁兼容性接地。该区域接地网与开关站接地网、坝区接地网相连。

(2) 开关站接地网

开关站区域设有500 kV GIS开关站及出线设备，设备较多，建筑物各层均敷设接地网，并与坝区接地网、地下洞室群接地网连接，以保证设备及人员安全。

(3) 坝区接地网

坝区接地网含坝顶接地网、坝内廊道接地网、坝前水下接地网、消力池接地网，与地下洞室群接地网、导流洞接地网相连。

(4) 导流洞接地网

导流洞采用钢筋混凝土结构，暗敷接地干线，并与坝区接地网连接。

(5) 预留引外接地网

进水口处、尾水处及拦河坝坝后均预留有接地抽头，以便需要时与引外接地网连接。

本站接地网总面积约为120 000 m2，发电后约有100 000 m2的接地网位于河水中。接地网主接地体采用60 mm×8 mm的扁钢。

2 全厂接地系统接地电阻计算及分析

根据短路电流计算结果，乌弄龙水电站最大入地短路电流为3.573 kA。根据NB/T 35050-2015《水力发电厂接地设计技术导则》，计算出乌弄龙水电站接地网按地电位升高2 kV时的接地电阻允许值0.56 Ω；接触电位差允许值2 608.09 V；跨步电位差允许值9 921.38 V。

从计算结果分析，电站按按地电位升高2 kV时的接地电阻允许值为0.56 Ω并不高。然而乌弄龙水电站为地下厂房，其散流区域面积不大，厂房区域岩石平均电阻率4 681.67 Ω·m，开关站区域岩石平均电阻率高达9 062.67 Ω·m，散流接地网的布置存在困难。

(1) 电阻率取值

设计对乌弄龙水电站土壤、岩石、河水电阻率进行取样测试。根据测试成果，河水电阻率为48.1 Ω·m。计算中取各类岩石的平均值，厂房区域岩石电阻率4 681.67 Ω·m，开关站区域岩石电阻率9 062.67 Ω·m，坝址、导流洞区域岩石电阻率4 224.67 Ω·m，坝前河床区域岩石电阻率275.5 Ω·m，混凝土电阻率在水中和在干土中分别取值为50 Ω·m、1 000 Ω·m。

(2) 电站接地电阻计算

电站全厂接地电阻计算分厂房、引水系统、尾水、开关站、坝区、导流洞几个部位分别计算。计算结果如表1。

表1 不同部位接地电阻计算值表

根据下面公式(1)结合有效利用系数，电站接地网总接地电阻计算值蓄水前为0.405 Ω，蓄水后为0.294 Ω。500 kV 开关站室内计算接触电位差为111.35 V，小于允许值2 608.09 V；跨步电位差29.41 V，小于跨步电位差允许值9 921.38 V。

(1)

式中：R∑为总接地电阻值，Ω；R1为厂房接地网接地电阻值，Ω；R2为引水系统接地网接地电阻值，Ω；R3为尾水洞接地网接地电阻值，Ω；R4为开关站接地网接地电阻值，Ω；R5为坝区接地网接地电阻值，Ω；R6为导流洞接地网接地电阻值，Ω。

3 设计成果分析

3.1 乌弄龙水电站枢纽布置分析

乌弄龙水电站地处澜沧江上游狭长河谷，属于狭窄的高山峡谷地形，无论从上下游及两岸地形来看，枢纽接地网布置均较为困难。虽然进水口、尾水及拦河坝坝后均预留有接地抽头，以备接地网的扩大，但受地形限制，补充接地网的实际实施难度很大。

3.2 设计计算及取值分析

(1) 分析设计计算过程可以看出，地下厂房、尾水洞、导流洞、开关站等部位接地对全厂接地电阻值影响很小；两岸边坡接地网因地处岩石区域，自身接地电阻很大，对全厂接地电阻值影响微乎其微。真正能对全厂接地电阻值影响起决定作用的是坝区水下接地网和引水隧洞进水口水下接地网。

(2) 受施工手段及布置的限制，乌弄龙水电站地质岩石取样样本数量总体偏少，各种岩石电阻率均取用平均值，取值偏小。

乌弄龙水电站全厂接地电阻虽然设计阶段的计算可以满足电站安全运行要求，但通过分析可知，蓄水后全厂接地电阻测试值很难达到设计理想值，这在流域其它梯级水电站也多次得到了印证。因此，在电站建设期间有必要了对接地网系统设计及施工进行优化。

4 优化措施

4.1 利用水下接地网

通过分析可以看出，电站接地网的分布范围较广，周围有很多水体存在，要想降低全厂接地电阻值，关键在于增加水下接地网敷设面积，利用低电阻率的水体来布置接地网以降低接地电阻[2]。从枢纽布置和电站地形分析，下游河段由于地形狭窄，水流冲击太大，不适于水下接地网布置。上游围堰与坝体区间范围较为开阔，电站蓄水后库区水流平缓，接地网不易被破坏[3]，且这部分接地网可以就近与大坝接地和进水口接地直接相连，向导流洞进口方向延伸后可以与原导流洞接地体相连，可在坝前形成面积约7 000 m2补充水下接地网，因此，这片区域是天然的水下接地网布置首选之地。

4.2 增设坝前水下接地网

在区域内采用60 mm×8 mm的热镀锌扁钢间隔20 m成网格状布置水平接地网。考虑到钢管比角钢制成的接地体散流效果好[4]，所以采用每个节点打入深2 m的Ø80 mm镀锌钢管垂直接地桩可靠焊接增加散流[5]，并起到固定作用，以1～2 m厚的渣土覆盖整个接地网。在大坝左右侧分别用3条60 mm×8 mm的镀锌扁钢与坝体接地相连，在电站进水口用4条60 mm×8 mm的镀锌扁钢与进水口接地多点连接，在导流洞进口用4条60 mm×8 mm的镀锌扁钢引至导流洞进口启闭机平台，与导流洞接地体多点连接成整体。补充接地网布置详见图1。

图1 补充接地网布置图 单位：m

该部分接地网铺设面积约为7 000 m2。蓄水后上层取河水电阻率48.1 Ω·m，下层取水中混凝土电阻率50 Ω·m；主接地扁钢为60 mm×8 mm接地体。根据公式(2)计算得出补充接地网接地电阻为0.289 Ω，根据公式(3)计算得蓄水后全厂接地系统接地电阻为0.183 Ω。

(2)

式中：R7为坝前水下补充接地网接地电阻值，Ω；K为系数，根据NB/T 35050-2015《水力发电厂接地设计技术导则》取K为0.15；ρu为上层电阻率,Ω·m；ρl为下层电阻率,Ω·m；S∑为接地网总面积,m2。

(3)

4.3 严把接地施工质量

在水电站工程施工中，接地系统施工部位分散，与土建施工相互干扰大，接地安装普遍不被重视，存在实施过程质量控制随意性大，对焊接工艺要求不高等通病。针对这些问题，建设单位与设计单位联合制订了接地系统标准施工图册，加强过程管理，保证按图施工，重点增强接地网区域间的接地连接，确保接地系统的连接整体性等。

5 结 语

乌弄龙水电站接地系统施工完成、工程蓄水后于2018年11月由云南电力科学研究院对接地网参数进行了测试，接地阻抗实测值为0.4185 Ω；接触电位差最大实测值为13.80 V；跨步电位差最大实测值为11.80 V；接地网的接地完整性测试结论合格。从最终测试结果看，乌弄龙水电站接地电阻实测值大于设计值，小于允许值，电阻接触电位差、跨步电位差均满足DL/T 475-2017《接地装置工频特性参数的测量导则》接触电位差不超过85 V、跨步电位差不超过80 V的要求。通过测试结果还可发现，测试值与理论计算值偏差较大，规律与前期分析结果吻合。

由于澜沧江流域水电工程大多地处高山峡谷，地形复杂，工程前期勘测条件较差，勘测工作受条件所限，土壤、岩石、水体取样样本数量往往偏少，真实代表性不足，导致电阻率平均取值普遍偏小，致使设计计算值较小。另外，随着工程的不断推进，与前期可研阶段比较，设计在技施阶段会对工程局部进行适当调整优化，从而使得全厂接地网有所改变，最终施工成果与最初可研设计不尽相同。因此，根据实际情况，在技施阶段优化乌弄龙水电站全厂接地设计及调整施工是必要的，保证了全厂接地系统施工最终一次性满足设计及运行要求。