英布鲁水电站接地设计的特点

沈文兰 许冬语 李建国

1 英布鲁水电站接地设计独特的自然条件

英布鲁水电站位于刚果河支流莱菲尼河下游巴泰凯高原地区,土壤浅层为风化沙层,电阻率相对较低；而深层及河床以下为白垩系、第三系和第四系陆相沉积地层,以砂壤土为主,电阻率比较高。现场实测的电阻率较高,2005年10月测得莱菲尼河水电阻率平均值1 130 Ω◦m,砂壤土电阻率平均值5 460 Ω◦m(当沙子潮湿时为 2 300 Ω◦m), 砂岩电阻率平均值7 600 Ω◦m(含水时为 4 800 Ω◦m)。接地网所处的是酸性的砂壤土及河水；在2004年6月从莱菲尼河水取样实测出pH值为5.33,河水中阳离子总含量7.01 mg/L(主要是K+、Na+离子,含量占6.21 mg/L)、阴离子总含量16.61mg/L(主要是HCO3-离子和Cl-离子,分别为13.42 mg/L和3.19 mg/L),游离CO2含量4.07 mg/L。

通常当土壤与河水为酸性时所含的离子具有化学活性和腐蚀性,电阻率比较低。但英布鲁情况却相反:水与土壤的电阻率很高,呈酸性且离子浓度又很低,这在国内外是非常少见的。从文献 [1]表1-4可看出:河水电阻率与自然环境、水温、水中矿化度有关,当水中矿化度在10 mg/L时含溶盐的水电阻率约500 Ω◦m附近,而纯净水的电阻率高达250 000 Ω◦m；中国的河水电阻率在30～600 Ω◦m范围之内,但矿化度普遍约100 mg/L,河水电阻率多数为50 Ω◦m左右。

分析后认为:英布鲁地处热带雨林,气候炎热潮湿,人烟稀少,枯死的植被容易腐败分解成有机酸,土壤与河水中富含有酸性游离物质；同时当地雨量非常充沛,莱菲尼河的水量很丰富,大大地降低了水中的矿化度,使离子浓度被冲得很低,趋近于纯净水,造成其河水电阻率远高于我国国内河流的河水电阻率。

2 接地设计原则及接地电阻值的确定

按2020年规划英布鲁水电站220 kV母线单相接地故障电流为6.5 kA,可推算出流入地网的最大短路电流约为4.88 kA。按照规程[2]的通常要求,地网电位升高值应小于2 000 V,即对应于英布鲁水电站总接地电阻应小于0.41 Ω,但选用该数值作为控制值过于保守,且很难达到。

根据DL/T5091第5.1.3条[2],如按高电阻率地区的要求,在满足接触电位差和跨步电位差等前提下,总接地电阻值可适当放宽到5 Ω。考虑到河水相对于砂壤土电阻率低的特性,尽量去扩大水中接地网的面积,充分散流；并通过经济技术比较以及采用各种综合措施,以获得既有较高的技术经济比,又具有尽可能小接地电阻的英布鲁水电站接地网设计。

3 接地体材料和截面的选择

针对英布鲁接地网带来的可能腐蚀问题,应重点分析和研究下列情况:

(1)2003年10月现场调查时发现了1984年被遗弃在莱菲尼河边的1只小船,虽经近20年日晒、雨淋等自然环境的侵蚀,并无明显的锈蚀现象。

(2)中国对钢接地网有着大量成功的经验,又据国内各地对接地网的大量现场调查表明:钢接地体发生腐蚀最严重的地方是在地表附近；越往地下的深处或水下的深处,腐蚀反而越轻。

(3)水电站内混凝土中有大量的钢管和钢埋件、钢筋,假如邻近采用铜地下接地网的话,铁铜之间受杂散电流和原电池效应的影响大,电化学作用反而会更加速了钢件的腐蚀。

(4)如接地体全部采用铜导体,当时(2003—2004年)铜材单价曾高达镀锌钢材单价的10倍左右,全铜接地网的一次性投资较大。

在分析了铜铁接地体各自利弊的实例以及技术经济综合比较之后,选定了以镀锌扁钢为主体的钢铜混合接地网是比较合理的；再考虑到酸性腐蚀作用,埋在水下和地下的镀锌扁钢厚度选大二级规格,以抵偿自然腐蚀。同时按照刚果 (布)的要求,从有利于防腐考虑,将各电气设备接地分支的末端连接线改为铜绞线,而铜钢接地线的相互连接点采用放热熔焊的特殊焊接工艺措施。

根据中国实际经验,在pH值小于6.5的有腐蚀性土壤,扁钢腐蚀量取0.1～0.2 mm/a[3],电气设备和接地导体耐腐蚀计算的使用寿命都按30年考虑。英布鲁水电站所在区域的河水和土壤pH值在5左右,考虑到酸性腐蚀作用,位于水下及开关站的接地体腐蚀量按0.2 mm/a计算,厂房内混凝土表面的接地体腐蚀量按0.1 mm/a计算,30年后的扁钢剩余最小厚度仍要保证大于6 mm,因此主接地网选用60 mm×12 mm的镀锌扁钢,厂房内接地网选用50 mm×10 mm的镀锌扁钢,均能满足要求。

4 接地网的布置

英布鲁总接地网主要分为坝前区水下接地网尾水区水下接地网、220 kV开关站接地网、厂房内接地网等4个部分,并充分利用水电站埋在地下、水下及混凝土中的钢筋和金属构件、轨道、铁塔基础等自然接地体。

坝前区死水位水深24.2 m,水下接地网面积约为11 000 m2；尾水区死水位水深10 m,水下接地网面积约为11 250 m2。作为垂直接地极的镀锌角钢,布置间隔取20 m并深入到河底内部。在河床岩石上钻孔开保护沟槽,将接地体放入后焊接构成接地网,注入水泥砂浆固定。在蓄水前用锚筋或压上重物将各个接点与河底牢固地拉住,以严防接地网被河水冲坏。

220 kV户外开关站的接地主网,埋深0.8 m,面积约为10 800 m2；主副厂房接地网以各层面的接地扁钢为主,相互连接。

为保证设备及人身安全,在开关站等重要部位敷设了均压网,并在220 kV户外开关站还铺了4 cm厚的沥青混凝土层,以满足接触电势及跨步电势的计算要求。、

5 接地网的简化计算以及计算机数值分析

英布鲁水电站水中和两岸土壤的各自电阻率相差都比较大,上下游地网埋深也不同,因此受坝区深层的地质结构和散流媒质导电特性的影响较大；但沿莱菲尼河流方向的散流作用明显强于宽度方向,接地网主要是矩形网,经过计算分析,表明英布鲁接地网可以简化为两层土壤地网结构。

运用双层土壤接地的近似计算公式[2、4]进行初步计算,得出英布鲁水电站接地网总接地电阻约为2.95 Ω,其中:河水电阻率取1 130 Ω◦m,河床电阻率取2 300 Ω◦m；开关站接地网按土壤电阻率5 460 Ω◦m算出其接地电阻为26.65 Ω；坝前区接地网查出复合电阻率公式中的修正系数为0.23,算出其接地电阻为6.622 Ω；尾水区接地网查出的修正系数K值为0.24,算出其接地电阻为6.661 Ω。

由武汉大学文习山教授采用计算机边界元数值分析方法,为英布鲁水电站接地设计进行复核并提供技术支持,对英布鲁水电站接地网进行了详细的接地计算,编制了实用数学模型和计算软件。在对水和土壤导电特性的差异、大坝上下游水位差、土壤深度和宽度方向的分层结构以及河床形状不规则特征的分析比较后,经简化建立起比较合理的水平双层结构物理模型。由此列出了散流媒质中电流场的控制微分方程组及其所满足的边界条件,由边界元直接列式,采用以地面为界面的半无限域中拉普拉斯方程的基本解,推导出域内积分方程和边界方程。然后再离散为代数方程,简化代数方程组系数矩阵,求解代数方程组,获得了边界节点上的未知量。同时分析验证了计算模型的合理性和数值计算结果的正确性,计算了英布鲁水电站接地地网尺寸、埋深对接地体接地电阻的影响,并对材质、参数、跨步电势和接触电势等进行分析。对不同面积大小 (23 700～60 000 m2)接地网方案下计算机算出的接地电阻值在2.39～4 Ω范围,选定了其中3 Ω左右的接地网方案。

6 接地电阻的现场测量

英布鲁水电站主接地网最大对角线的距离约600m,现场采用CDWZ03型大地网接地电阻测试仪进行测量,采用平行布线法,电流极距主厂房主接地网约2 600 m,电压极距主厂房主接地网约1 700 m。分别在进水口接地分网、220 kV开关站、主副厂房取5个点进行了11次测试,测得的电阻值误差在1%～3%之间,取平均值2.4 Ω。从目前英布鲁水电站的接地电阻测试结果和运行情况表明,接地设计取得了较好的效果,通过了业主及咨询公司的验收。

7 结 语

(1)英布鲁水电站虽然水与土壤的电阻率都非常高,但在保证接地网有足够大面积的前提下,采取以扩大水下接地网面积为主的综合接地措施,能明显减小总接地电阻数值。

(2)为节省投资、延长使用寿命、减轻酸性腐蚀,水电站采用了以镀锌扁钢为主的钢铜混合接地网,用放热焊接特殊工艺连接钢铜,主接地体选用了60 mm×12 mm镀锌扁钢。

(3)对接地网进行了初步简化计算,并经武汉大学计算机数值计算的复核和分析,近似公式与计算机两种计算方法所得出的接地电阻值很接近,水电站总接地电阻值均在3 Ω左右,能满足规范所允许的高电阻率地区接地电阻值小于5 Ω的要求。

(4)英布鲁水电站现场实测的工频接地电阻平均值为2.4 Ω,实测结果略小于计算值。

[1] 曾永林.接地技术[M].北京:水利水电出版社,1979.

[2] DL/T5091—1999,水利发电厂接地设计技术导则[S].

[3] 李景禄.实用电力接地技术[M].北京:中国电力出版社,2002.

[4] 水电站和电设计手册编写组.水电站机电设计手册[M].北京:水利水电出版社,1982.