大型抽水蓄能电站接地降阻措施的探讨

郑 晖，李 昭，蔡望奇，李既明，邓杰文，满超楠

（1.长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410076；2.珠海电力设计院有限公司，广东 珠海 519000；3.科智防雷工程公司，长沙 410076）

合格的接地网是保证抽水蓄能电站安全稳定运行的重要条件，接地电阻是接地网主要的技术指标之一。

位于山区的某大型抽水蓄能电站（以下简称电站），所处地理位置大多为山岩，土壤电阻率较高，2005年对电站原有接地网测试显示平均接地电阻为1.14 Ω，根据参考文献[1]中要求，实际接地电阻值已不能满足规程要求，迫切需要对电站接地网进行降阻改造。

1 电站接地电阻超标原因分析

1.1 地质原因

经过对电站上、下水库周围地形的实地调查，发现电站周边地形多为岩石山地，土壤多为风化石土质，固水性能差，沙石粒偏多，导致土壤电阻率非常高，经过对多处山岩地段的土壤电阻率试验，电阻率一般可达2000 Ωm以上。

1.2 原接地网设计不合理

原接地网设计受到地理条件的局限影响，接地网面积不够大。接地网由上水库地网、引水隧洞接地体、尾水隧道接地体、厂房洞群接地网、500kV开关站区接地网、下水库接地网和若干垂直深井接地极组成，接地网面积：上水库约16000 m2，中控楼和开关站区域8720 m2，下水库约51000 m2，地网最大对角尺寸接近2000 m。影响接地电阻的主要因素是下水库接地网，但由于电站下水库库容较小，水位浅，水下接地网面积不足，且呈狭长条形，影响了接地网的散流效果，从而也影响了接地电阻的降低。

1.3 接地网腐蚀、断裂

由于电站原接地网运行时间已经长达12年之久，且缺少日常维护，各区域之间都存在不同程度腐蚀和断裂的情况，导致接地电阻值进一步增大。

2 电站地形分析

采用四级法进行了土壤电阻率测量[2]，下水库沿岸电阻率高达3000 Ω·m左右，库水电阻率也较高，且库水深度很浅，水面很窄，库底基本由岩石构成。围绕上水库且距离发电机厂房半径2000 m范围的地势较平坦的地域，可分为区域1—区域6共6块，其中区域1是西副坝建筑物；区域2—区域5分别是竹林、滑雪场、拓展中心、观景台区域，地势平坦，土壤多为粘土，固水性能好；区域6虽地势平坦，但表层多为细小的沙石，下层为坚硬的岩石，植被稀少，土壤固水性能差。6块区域的分布图、土壤电阻率测量点及测量方向如图1所示。

图1 上水库6块区域土壤电阻率测量点及测量方向

对每个测点分别进行极间距为5 m，10 m，20 m，30 m，50 m，70 m时的土壤电阻率测量，结果显示，区域2—区域5表层的土壤电阻率在450～700 Ω·m，而在极间距取50 m，即实测电阻率深度为37.5 m以下时，土壤电阻率在1000 Ω·m左右，且逐渐增大，可以推断出山体下层为岩石地质，区域6土壤电阻率很大，均在2000 Ω·m以上。

3 综合降阻措施分析

3.1 利用自然接地体降阻

在接地工程中，可以利用混凝土结构物中的钢筋骨架、金属结构物以及上下水、金属管道等自然接地体来减小接地电阻。区域1（西副坝建筑物）位于上水库西南方，面积8310 m2，距发电机厂房直线距离1.35 km，区域1的地基入地很深，可以将其利用为自然接地体，通过连接线将其并入主地网，能够有效的降低主接地网接地电阻。

3.2 采用深井式接地极

当土壤为均匀土壤，或者土壤为不均匀土壤，土壤在垂直于地面的方向上分层，且下层土壤的电阻率远远小于上层土壤的电阻率时，可以采用深井式接地极来降阻。由于下水库周边环境大部分为岩石山地，深层的土壤电阻率也很高，深井接地无论是经济上还是从效果上都难以达到预期的目标。对于上水库区，由土壤电阻率的测量结果可知，其周边6块区域土壤电阻率在垂直于地面的方向上分层，且下层土壤的电阻率远远大于上层土壤的电阻率，因此，均不适合采用深井式接地极。

3.3 单个区域的外延地网设计

上水库周边的区域2—区域5地势平坦且上层土壤电阻率较低，适合做外延地网，可以通过在上述区域做外延地网来降低主地网接地电阻。

以区域2为例，区域2的加权平均土壤电阻率 ρ2=758.38 Ω·m。

如图2所示，外引接地体面积为20700 m2，15 m×15 m的网格布置。接地体使用27×12/0.85（标称截面为 120 mm2，计算外径为 17.3 mm2）的铜绞线，埋深为1 m。在接地体交点处做垂直接地极，接地极使用长为1 m的Φ20 mm铜接地棒。将参数代入有关公式可求得接地电阻R2=2.72 Ω。

参照区域2的外延地网设计，同时对区域3、区域4和区域5进行外延地网设计改造，各区域改造后的接地电阻值如表1所示。图3为各区域的外延地网设计及连接图。

为了保证每个区域的可靠连接，各区域内部接地网和各区域之间均采用3根185 mm2的铜绞线连接，然后通过2根185 mm2的铜绞线与上水库原主接地网连接。连接线电阻值R连接=0.35 Ω，同时连接线为接地网的射线，起到降阻作用，可计算出射线降阻R6=1.05 Ω。

图2 上水库区域2外延接地网

表1 各区域改造后的接地电阻

图3 各区域的外延地网设计及连接

3.4 敷设水下地网

建站之初，因担心影响坝基渗漏，没有直接在下水库区埋设接地网，而从交泄洞和导流洞迂回形成1块接地网，且由于地势的限制，原有水下接地网面积不足。由于库水电阻率较高，且库水深度很浅，水面很窄，库底基本由岩石构成，对下水库无法进行水下地网敷设。上水库库水表面积约为320896 m2，原有地网面积约为16000 m2，敷设在上水库闸门处和水库廊道中，可见原有地网利用的面积有限。

由于电站利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电，水库里的水位不稳定，同时在水库竣工之后，库底已经浇灌了隔水材料和混凝土，考虑到施工难度，无法在库底进行扩网。

3.5 采用降阻剂人工改善土壤电阻率

施加降阻剂不仅起到降低接地网接地电阻的作用，还能起到防腐蚀和均压作用。对于上水库的外延地网区域2—区域5，由于接地体主干线及接地网连接线为主要的泄流通道，可在周围敷设截面为0.2 m×0.2 m的GPF-94a高效膨润土降阻防腐剂，考虑屏蔽因素，均压网格水平接地体周围间隔敷设截面为0.2m×0.15m的和0.15m×0.15 m GPF-94a高效膨润土降阻防腐剂，起降阻、防腐和均压作用。

3.6 其他措施

针对原接地网出现的腐蚀、断裂情况，在对接地网进行改造施工时，要将接地网腐蚀的部分进行更换，对断裂的部分重新连接。同时，在日常运行时要注意维护，对电站内主接地网要每隔几年进行一次接地网导通测试，以便发现问题并及时整改。

4 降阻方案的计算分析

4.1 接地电阻验算

改造前，电站原地网的接地电阻值为1.14 Ω，利用上水库6块区域增设接地网，各个区域的接地电阻值为： R2=2.72 Ω，R3=3.12 Ω，R4=3.64 Ω，R5=1.88 Ω，射线接地体的接地电阻R6=1.05 Ω；连接线总电阻R连接=0.35 Ω，并考虑并联系数，可得R外总=0.82 Ω。并入原地网计算得出总接地电阻R总=R外总‖1.14=0.48 Ω＜0.5 Ω，符合规程要求。

4.2 热稳定要求验算

根据计算，接地线和接地网主干线的热稳定截面不得小于162.30 mm2，外延接地网与主接地网的连接线及水平接地网主干线（四周）采用27×12/0.85（标称截面为185 mm2，计算外径为21.73 mm）的铜绞线。由于接地电流经接地引线入外延地网后，由2根长度为800 m和1200 m的铜绞线分流，考虑电流在2根导体中按3∶2的比例分配，则从热稳定的要求出发，可以取地网接地导体的截面为接地主干线截面的60%，所以区域2、区域3和区域5的水平接地体采用27×12/0.85（标称截面为120 mm2，计算外径为17.38 mm）的铜绞线。

考虑到区域4外围没有围栏，接地体容易被盗，所以接地体采用Φ16 mm的镀锌圆钢，同时在周围敷设GPF-94高效膨润土降阻剂，减小腐蚀。经后面计算可得5块区域中单块区域的接地电阻值相差不大，考虑4块区域的分流，那么流入区域4的电流最多为总电流的1/4，可得出钢的热稳定截面积为486.89 mm2，取1/4截面为121.72 mm2，而采用Φ16 mm的镀锌钢，截面积为200.96 mm2，也符合热稳定要求。

4.3 最大跨步电压验算

以区域2为例，根据规程，可计算出地面最大跨步电压Usmax=273.45 V＜656.76 V，满足跨步电压的要求。

参照区域2最大跨步电压验算的方法，对区域3、区域4和区域5同样进行了最大跨步电压的验算，结果如表2所示，结果显示各区域的最大跨步电压均符合要求。

表2 各区域最大跨步电压校验

5 结语

该电站接地网存在的问题具有普遍性，通过现场调研，将上水库可利用的区域分成6部分，针对这6个区域和下水库不同的环境和地质条件，因地制宜地提出了综合降阻措施，如利用自然接地体、外延地网、采用降阻剂，及加强日常维护等。经过计算校验后发现，经过接地改造后的接地电阻值降低到规程要求值以下，同时满足最大跨步电压和热稳定要求。经过工程改造后，现场测量电站接地电阻为0.45 Ω，与之前的计算值误差很小，且符合规程要求，经济有效地解决了电站的接地电阻超标问题。

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