丰满重建工程三期独立运行接地设计

谢 勇，郭亚卓，李伟毫

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）

1 概述

原丰满水电站始建于1937年，1943年第一台机组发电，1953年大坝全部建成，1959年8台机组（552.5 MW）全部投产，并在20世纪90年代陆续进行了二期（9，10号）、三期（11，12号）扩机，电站共安装12台水轮发电机组，总装机容量1 002.5 MW。电站在东北电力系统中担负发电、调峰、调频和事故备用等任务，是东北电力系统中的主力调峰电源和事故备用电源。

吉林丰满水电站全面治理（重建）工程的主要方案是“在距离原坝址轴线下游约120 m处新建一座大坝及坝后电站，原电站三期机组保留并继续使用，拆除原大坝部分坝段、一二期厂房及一二期所有机电设备”。

丰满发电厂三期工程是利用原战备泄洪洞安装140.0 MW和4.5 MW发电机组各2台。其接入系统、厂用电、监控系统、通信系统均依附于一二期老厂：电站送出是由1回220 kV跨江线接入一二期老厂220 kV东母线与东北电网相连；厂用电由两路3.3 kV电缆接入老厂厂用电系统，地区10 kV及小机组作为备用厂用电电源；三期接地网与老厂接地网之间采用1根3×150 mm2的电缆连接。

在丰满工程重建期间，三期电站将担负起发电、保下游供水，以及向原大坝泄洪设施、丰满电厂办公及水厂热厂供电等任务，为此，丰满三期电站在新的接入系统方式下，重新设计电站电气主接线、厂用电供电接线及对220 kV开关站进行改造等，以保证三期电站完全脱离与老厂的依附，实现安全独立运行。三期电站自2013年9月退出运行，正式开始改造施工，并于2014年10月4日2台140.0 MW机组再次投入商业运行。

发电厂及变电站接地网是维护电力系统安全可靠运行、保障运行人员和设备安全的重要措施，其最重要的功能就是将故障电流安全地引入地下，限制故障电位上升，控制地表电位梯度以限制跨步电位差和接触电位差在安全值内。

丰满三期接入系统及电气主接线的变化，必然对电站独立运行接地系统及工频电阻值提出新的要求。为了保证丰满三期水电站的安全可靠运行、保障人身和电气设备的安全，需对施工期丰满三期独立运行时，如何满足工频接地电阻值要求和接地装置的工程措施进行研究，并提出可行的设计方案。

2 改造前接地装置的构成及现状

丰满三期电站接地装置主要包括主厂房接地网、变电站及厂前区均压网、引水隧洞接地网（调压井快速闸门）、调压井门槽及尾水门槽。由于三期电站厂区面积有限，且地处多为岩石及碎石回填地区，土壤电阻率偏高。所以三期电站工程接地网与丰满老厂的接地网系通过1根3×150 mm2电缆连接，与老厂一同构成一个整体的接地网。

另外据查，丰满老厂1—8号机组段在高程198.60 m以下压力钢管层及尾水管层设置了16组铜板接地极，每组铜板为2×［2 400 mm×1 220 mm×30 mm］，相互间用铜线连接。9，10号机组段主要以压力钢管和尾水管底板钢筋作为主要接地体。连接所有接地极（体）的主要接地线（带）均埋设于老厂厂房高程198.60 m以下，而根据大坝重建施工方案，大坝段239.00 m高程以上拆除、厂房198.60 m高程以上拆除，由此推断，大坝重建对老厂接地装置中的接地极（体）、接地线（带）基本上不构成损坏。

综上分析，老厂主要的接地装置在重建期得以保留，三期电厂的接地装置仍用3×150 mm2电缆沿电缆道敷设，与老厂保留下的接地网相连，实现降低工频接地电阻值，以改善三期的接地条件。1997年11月三期接地装置竣工实测数据为0.48Ω，2003年东北电科院实测值为0.53Ω。

在新大坝基础开挖阶段，两个接地网的连接需要跨越施工区，在此期间，电缆可采用保护管敷设，一旦连接点断开，需要立即重新连接。

3 接地计算及分析

3.1 接地设计原则

根据规程规定，大接地短路电流系统的水电厂接地装置的接地电阻宜符合R≤2000/I（其中，R为考虑到季节变化的最大接地电阻，I为计算用的流经接地装置的入地短路电流）；同时，在高土壤电阻率地区，当接地装置要求做到规定的接地电阻值在技术、经济上极不合理时，接地电阻值可以放宽（R≤5Ω），并验算接地网的接触电位差和跨步电位差；验算发电厂内的6~10 kV阀型避雷器；采取隔离措施防止可能将接地装置的高电位引向厂外，或将低电位引向厂内的设施。

根据丰满三期独立运行改造后短路电流计算成果，最大入地短路电流为（接地装置内短路时）6 415 A，其接地电阻不应大于2 000/6 415=0.31Ω。而原三期电站接地电阻系按不大于0.5Ω设计，且三期电站枢纽范围内不具备扩大和外引接地网的工程条件，故需将接地电阻值适当放宽。

3.2 改善接地系统可利用的工程条件

丰满三期电站接地系统主要由主厂房接地网、变电站及厂前区均压网、引水隧洞接地网、快速闸门及尾水门槽（不考虑与老厂连接）构成。能够改善三期电站接地系统可利用的并与其相关的组合接地网：组合1，三期接地网；组合2，三期+老厂一期、二期接地网；组合3，三期+丰满重建工程泄洪兼导流洞接地网；组合4，三期+老厂一期、二期+丰满重建工程泄洪兼导流洞接地网；组合5，丰满三期+老厂一期、二期+丰满重建工程泄洪兼导流洞+大坝接地网。

丰满重建工程泄洪兼导流洞在2015年汛前投入使用前，三期电站接地网为组合2；在2019年6月大坝蓄水前，三期电站接地网为组合4；由于大坝施工期间可能会出现丰满三期接地网和老厂一期、二期接地网短时断连，此时三期电站接地网为组合3；在2019年6月大坝蓄水后，三期电站接地网为组合5。

3.3 各组合接地电阻计算及分析

根据丰满水电站全面治理（重建）工程技施阶段的《土壤（岩石）和水电阻率测量报告》中各部位地质情况和相关数据，对改善三期电站接地系统可利用的并与其相关的接地电阻值进行计算，计算结果见表1。

表1 各组合接地电阻计算结果表 Ω

根据表1计算结果，组合4及组合5的电阻计算值小于0.31Ω，符合规程规范要求；而组合1、组合2、组合3的接地电阻计算值分别为0.69，0.43，0.38Ω，均不能满足接地装置工频接地电阻值R≤2000/I=0.31的要求。

根据SL 587-2012《水利水电工程接地设计规范》的有关规定，在高土壤电阻率地区，当接地装置要求做到规定的接地电阻值在技术、经济上极不合理时，接地装置电位可放宽，接地装置电位不宜超过5 000 V（组合1、组合2、组合3的接地装置电位分别为4 426，2 759，2 438 V），但应符合以下规定：

1）应验算接地均压网的接触电位差和跨步电位差在允许值范围内，施工完毕，应进行现场实测；

2）考虑地电位暂态电压的影响，当接地装置电位升高时，暂态电压不应超过3~10金属氧化锌避雷器1 s内工频耐受电压值；

3）应对可能将接地装置的高电位引向站外，或将低电位引向站内的设施采取隔离措施；

4）应采取相应措施防止接地装置的工频暂态电压升高对弱电设备和控制电缆的反击或误动。

3.4 接地电阻实测值

在丰满三期独立运行改造后电站投运前，丰满大坝建设局曾委托东北电力科学研究院有限公司于2014年7月9—11日，对电厂的有关接地装置进行了针对性测试。现场各部位实测接地电阻值：一期、二期和三期接地装置整体接地阻抗ZⅠⅡⅢ为0.52Ω；一期和二期接地装置的接地阻抗ZⅠⅡ为0.56Ω；三期接地装置的接地阻抗ZⅢ为0.69Ω。三期开关站的接触电位差和跨步电位差分别为5 V和20 V。

2018年7月，丰满重建工程接地网初步建成，长沙科智防雷工程有限公司将丰满重建工程接地网和三期接地网作为一个整体，测得接地电阻为0.139Ω；2019年11月机组发电后，又进行了接地电阻测试，测得接地电阻为0.135Ω。

3.5 工程措施及合规性评价

针对组合2、组合3工频接地电阻值不满足规程规范要求的情况，对其按SL 587-2012的有关规定进行符合性检验。

1）接触电位差、跨步电位差计算。根据规程规范及现场实际的电阻率计算，丰满三期接触电位差、跨步电位差允许值分别为Ej=356 V，Ek=767 V。根据SL 587-2012，分别计算出组合2（0.43 Ω）和组合3（0.38Ω）的接触电位差和跨步电位差。接触、跨步电位差计算值、允许值、实测值对比见表2。

表2 接触跨步电位差计算值允许值实测值对比表

由表2看出，保持三期接地系统与老厂（一期、二期）接地网连接，其计算接触电位差和跨步电位差均在允许值范围内，实测值更是远远小于允许值，满足要求。后期，随着泄洪兼导流洞接地网（2015年汛期前投入)、大坝接地网的建成和接入，三期电站接地电阻值和接触、跨步电位差将进一步改善，电站运行更趋于安全可靠。

2）地电位暂态电压的影响。根据规范，10 kV金属氧化锌避雷器在暂态电压作用下不应动作，其接地网工频接地电阻值应为RW≤（Ugf-Usge）/（1.8I）=（21.25-12.00）/（1.8×6.415）=0.8Ω。

同时，在不同入地短路电流值下，10 kV无间隙氧化锌避雷器允许的接地装置接地电阻值为R≤7.95/6.415=1.24Ω，即评估最不利的测试结果R=0.69Ω＜允许值R=1.24Ω，满足要求。

3）应采取隔离措施，将可能接地装置的高电位引向站外，或将低电位引向站内的设施。电站对外通信采用光纤传输，电站无低压配电线路向电站外送电。电站只有10 kV厂用电对外有电气联系，而10 kV电压等级的绝缘耐压水平可达28 kV。满足要求，符合规定。

4）应采取相应措施防止接地装置的工频暂态电压升高对弱电设备和控制电缆的反击或误动。三期独立运行改造工程中，已针对电站内二次盘柜室特敷设了铜绞线（或铜排）等电位接地网，有效降低了接地装置电位差。

4 结语

因三期电站枢纽范围内不具备扩大和外引接地网的工程条件，在丰满水电站重建期间，三期电站需独立运行，故设计充分利用原来的3×150 mm2铜芯电缆将老厂的一期、二期接地网与三期接地网连接，并在重建工程施工期，保持其连接线的完整性、可靠性是必要的，其能更好地确保电站安全运行对接地装置的要求。后期，随着泄洪兼导流洞接地网（2015年汛期前投入)、大坝接地网的建成和接入，三期电站接地电阻值和接触、跨步电位差持续改善。丰满三期电站自2013年9月退出运行，正式开始改造施工，并于2014年10月4日2台140 MW机组再次投入商业运行，至今已投运7年，电站已完全实现安全独立运行，圆满完成了工程在重建期间赋予三期工程的发电、保下游供水、向老坝及其他区域供电等任务，电站接地系统运行可靠、安全、稳定。