福建沙溪口水电站110 kV开关站接地改造分析

陈锦麟，周易龙，潘 欢，童 年，周利兵

(长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410076)

0 引言

福建沙溪口水电站是闽北电力系统交换的枢纽，采用6回110 kV出线供福建电网。水电站地处山区，雷电活动强烈，严重影响了水电站运行的安全稳定性。通过对其110 kV开关站进行现场调研及相关计算，发现:开关站主接地网已严重锈蚀，不能满足热稳定性及均压要求，接地电阻超标，整个主接地网存在较大的安全隐患，严重影响设备的安全稳定运行;因此，有必要对其地网进行改造。

1 开关站原接地网存在的问题分析

1.1 接地网严重腐蚀断裂

该开关站地网运行时间已达27年之久，加之水电站所处的地理位置影响，其接地腐蚀在所难免。在现场对原地网开挖检查，发现:原地网已严重腐蚀，其中设备接地引下线的腐蚀最为严重，有些地方甚至已经出现缺口，造成了电气上的开路。该开关站电缆沟内接地扁钢的腐蚀现象也十分普遍，尤其是其焊接头部分。当一些设备的接地引下线串接有这样的接地扁钢时，就会造成一些设备失去接地。对该开关站进行接地电阻测试，发现对于不同的电流注入点，所测出的接地电阻有很大变化，如从开关站进线侧PT接地点注入，测得接地电阻为1.2 Ω，而从出线侧PT接地点注入时，接地电阻测得为1.78 Ω。这说明该接地网已不是一个整体，而是裂解为几个部分。

由此可见，该开关站的接地网腐蚀断裂现象严重，已无法满足相关电力规程的要求;因此，需要对其接地电阻、热稳定性、地网均压的相关参数进行进一步分析校验，以确定合理的改造方案。

1.2 接地电阻超标

1.3 不满足热稳定性的要求

按照我国电力行业标准DL/T621-1997《交流电气装置的接地》规定，根据热稳定条件，接地线的最小截面应符合下式要求:

式中:Sg为热稳定的截面积，mm2;te为短路电流的等效持续时间，取1 s;C为接地钢材料的热稳定系数，取70;Id为母线最大短路电流，取7 000 A。代入数值得Sg≥100 mm2。由此可见，该110 kV开关站接地线的截面积需满足要求。原有接地网用截面积为100 mm2，但是通过现场开挖地网发现:由于地网运行时间过久，其主干线大多已严重腐蚀，许多接地线的截面积已不足50 mm2，有的甚至已经断裂失去接地;故原有的接地网已无法满足电流热稳定性的要求。

1.4 不满足地网均压的要求

据现场调查，该开关站接地网为长孔地网，地网干线之间的距离过大，有些地方甚至达到10 m以上。当电流离开接地体在地中散流时，会在地面产生较大的电位梯度，且该接地网内部锈蚀严重，这都会造成跨步电压和接触电势过高，容易对周围设备造成反击。

通过测量和计算，该110 kV开关站跨步电压目标值为349 V。接触电势目标值为216.5 V。

2 改造目标

针对该110 kV开关站原地网所存在的问题，结合电力规程对接地网的要求，确定了以下改造目标:

(1)对开关站的地网重新铺设，并且采取合理地防腐降阻措施，使新地网的使用寿命达到50年以上，并保证在使用寿命内地网满足电流热稳定性的要求。

(2)采取合理的降阻措施，使该开关站的接地电阻满足R≤0.62 Ω的要求。

(3)对地网进行合理设计，使新的地网具有良好的均压效果，符合跨步电压和设备接触电势目标值的要求。

3 接地网设计方案

新铺设的地网需覆盖该110 kV开关站的整个区域，决定设计成6 m×6 m的方孔均压地网。为了防止地网边角的尖角效应，地网的边角要设计成弧状。接地体和设备引下线均采用50×5 mm的镀锌扁钢，垂直接地极采用50*5的角钢，对站内接地体周围施加截面尺寸为0.2×0.2 m的GPF-94高效膨润土降阻防腐剂，以防止接地体腐蚀，稳定接地参数。由于跨步电压是由接地短路电流流过接地装置时在地面上形成的分布电位造成的，如果采用完全等间距的均压网，当发生雷击时，会造成地网边缘电势高，中间电势低。因此，考虑到地网的均压，在铺设6×6 m均压地网时，要求从地网边缘到中部逐渐加大间距，使网孔电势趋于一致，保证良好的均压效果。同时，为解决开关站内局部冲击电阻过高的问题，在站内避雷线、避雷针和避雷器的接地引下线入地处外围距离地表约1 m深处铺设一内外双层环状接地体，内外环装接地体距离约为5 m，用水平接地体将内外环焊接，再在各连接点处嵌入1根1.2 m的垂直接地极，与水平接地体有效焊接，并对水平接地体和环装接地体施加GPF-94高效膨润土降阻防腐剂。当避雷针、避雷器动作放电时，雷电流通过接地装置泄放入地。该内外双层环状水平接地体不仅可有效减小冲击接地电阻，而且加强了冲击接地电流的扩散，增大了散流面积，使入地点电流能够更为均匀散流，防止地网局部电位升高。此外，在开关站内行人经常出现的地方铺设碎石和沥青，以减少人体的实际承受的跨步电压。

3.1 降阻措施的分析

通过现场的测量和计算，站内的土壤电阻率为250 Ω·m，站内地网面积为3 680 mm2，接地电阻R=2.06 Ω，高于接地电阻目标值的要求;因此，还需采取其它措施进行降阻。目前接地工程主要采取的降阻措施有外延接地、深井接地、施加降阻剂和利用自然接地体等。现对该开关站的降阻措施进行分析。

3.1.1 采用外延接地方法

该水电站四面环山，山上有许多树木，但是土层均十分稀薄。对水电站四周的土壤电阻率进行测试，测试结果显示:水电站四周山上的土壤电阻率均在1 500～2 000 Ω·m左右，难以满足要求;开关站南500 m处有块草地，其土壤电阻率在300 Ω·m左右，可以利用做外延。如图1所示，将外延地网设计成长120 m，宽80 m，内部为30×30 m的网孔。从开关站内对着外延地网铺设2条外引接地主线。考虑到接地体之间的屏蔽效果，将其设计为井字形结构，在接地主线上每隔10～15 m布设一道横线，在交叉点设置垂直接地体。通过现场测量计算，该外延接地电阻为1.9 Ω，对其周围施加截面为0.2×0.15 m的GPF-94高效膨润土降阻剂后，接地电阻降为1.3 Ω，与站内地网并联之后，接地电阻可降至0.79 Ω。

图1 采用外延接地的示意图Fig.1 Schematic diagram of using epitaxial grounding

3.1.2 深井接地法

使用深井接地降阻法的前提条件是四周存在有地下较深处土壤电阻率较低的地方，比如有金属矿或者地下水。该水电站地处山地丘陵地区，地下均为岩石，下层土壤电阻率甚至高于上层，故不适于用深井接地法进行降阻。

3.1.3 利用自然接地体

通过对现场的进一步勘查，发现在开关站南面的草地附近有一条附近村民用于灌溉的沟渠。通过测量，发现该沟渠附近的土壤电阻率较低，且沟渠中的水质较为浑浊，与外延地网距离也近，适合利用来进行自然接地体降阻。如图2所示，将开关站地网通过接地主线与外延地网连接之后再与该自然接地体连接，可进一步降低接地电阻。在连接过程中，外接地体所遇到一切自然接地体，如水管、道路地基等，均于接地体有效焊接在一起。

3.1.4 施加降阻剂

图2 利用自然接地体的示意图Fig.2 Schematic diagram of using natural grounding body

事实证明，降阻剂在降低发电厂、变电站接地电阻中的作用是毋庸置疑的。在本次改造中若不使用降阻剂，单纯考虑其他降阻措施，是很难把接地电阻降低到目标值以下的。

该站所使用的GPF-94高效膨润土降阻剂具有较低的电阻率 (ρ≤0.35 Ω·m)，加水后有较大的膨胀系数，施加在接地体周围相当于增大了接地体的截面积，消除了接地体与周围土壤的接地电阻;且其具有较强的吸水性和保水性，可降低接地体周围的土壤电阻率，对于山区和高土壤电阻率地区的降阻效果最为明显。

在水平接地体周围施加GPF-94高效膨润土降阻剂，其具体的实施方法是如图3所示。对于水平接地体，开挖如图所示的沟槽，首先在沟底铺入一半降阻剂粉，然后铺入水平接地体，待接地体焊接完毕后，在上面铺上另一半降阻剂粉，加水搅拌均匀后，再在上面回填细土并夯实。若沟宽为a，降阻剂的厚度为b，由于接地电阻的目标值较小，低于1 Ω，则a，b值取24～40 cm。对于垂直接地极，可用钻井机在地中垂直钻直径10～12 cm的井，竖井钻好后，插入垂直接地体，将降阻剂粉加水调成浆，用压力泵把降阻剂浆压入深井中。

施加降阻剂之后，其降阻效果可按照下式和表1计算:

图3 水平接地体施加降阻剂剖视图Fig.3 Sectional view of grounding body using resistance-reducing and anticorrosion material

式中:Rg2为施加降阻剂之后的工频接地电阻，Ω;Rg1为未施加降阻剂之前的工频接地电阻，Ω;Kf为降阻剂的降阻系数，其值与降阻剂的施加截面积有关，可由表1查得;Kp为大接地网的屏蔽系数，对于大型接地网，一般取1.2～1.4。

表1 GPF-94降阻剂的降阻系数和用量Tab.1 GPF-94 resistance-reducing material's coefficient of resistance reduction and dosage

对站内接地体施加截面为0.2×0.2 m的降阻剂，对外引接地体施加截面为0.2×0.15 m的降阻剂，配合外延接地及自然接地方法，可有效降低接地电阻。

综上所述，该开关站接地网改造采用重新铺设站内地网、向站外草地做外延接地、利用自然接地体和施加GPF-94高效膨润土降阻剂等方法来进行降阻。

3.2 防腐措施的分析

该水电站地处东南沿海省份，接地网极易遭受腐蚀;因此，在改造中必须充分考虑到地网腐蚀的问题，选择性能良好的防腐降阻剂来防止接地体腐蚀。

在本开关站的地网改造设计中，对站内接地体和外引接地体都选用GPF-94高效膨润土防腐降阻剂。它不仅对接地体有很好的降阻效果，还能起到良好的防腐作用[9，10]。该防腐降阻剂不仅对钢接地体具有很好的钝化作用和阴极保护作用，能有效地消除吸氢腐蚀和吸氧腐蚀;而且能紧密地包裹在接地体周围，当冲击大电流流过时，电火花不在接地体上产生，避免了接地体的电火花腐蚀，对于普通钢材，使得其腐蚀率小于0.000 49 mm/a。本次改造站内接地体选用50×5 mm镀锌扁钢，外引接地体采用直径16 mm的圆钢。保守估计，该接地网至少可以保证运行50年。

3.3 接地网热稳定性校验

根据式 (1)计算，该开关站接地线热稳定最小截面积的目标值Sg≥100 mm2。改造后的开关站站内接地体采用50×5 mm镀锌扁钢 (S=250 mm2)，外引接地体采用直径16 mm的圆钢 (S=200.96 mm2)，再考虑施加降阻剂的作用，故该地网至少可以保证在50年内接地体截面满足热稳定性的要求。

4 现场试验

基于上述设计对开关站地网进行了改造。现通过工频大电流法进行接地电阻、地面电位分布、设备接触电势试验，以验证改造的效果[11]。

4.1 用工频大电流法测量接地电阻

试验接线图如图4所示。

图4 工频大电流法测量工频接地电阻的接线图Fig.4 Wiring diagram of using big Power frequency current measuring Grounding resistance

地网的连接点为进线侧PT的接地引下线。试验数据如表2所示，其中U12，U14，U24分别表示1，2点，1，4点和2，4点之间的电压;L13表示1，3点之间的距离。排除零序干扰后，计算出接地电阻值为0.54 Ω，而该开关站的接地电阻目标值为0.62 Ω。说明通过改造，采取相应的降阻措施后，接地电阻值成功地降至目标值以下。

表2 试验数据记录表Tab.2 Experimental data record tab

4.2 设备接触电势试验

对改造后的开关站内主要设备的接触电势进行了试验测试，测试结果如表3所示。

表3 设备接触电势测试结果Tab.3 Test results of contacting voltage of equipment

根据式计算，该开关站的设备接触电势目标值为216.5 V。如表3所示，所测设备接触电势均低于目标值 216.5[12]。

4.3 电位分布试验

每隔0.8 m测量一次，所测得最大的跨步电压为120.73 V，远低于目标值349 V。

上述各项试验结果显示:改造之后的接地电阻、接触电势和跨步电压均低于目标值，可见对该110 kV开关站的接地改造是成功的。

5 结论

计算和试验的结果均表明:对沙溪口水电站110 kV开关站接地网的改造基本达到了预期的效果。通过本次改造设计，可得出以下结论:

(1)在进行接地网设计之前，一定要深入实地勘查，对各项参数进行周密的计算和校验。

(2)在选择合适的降阻措施前，要对周围地形情况进行现场勘查，之后分析各种降阻措施使用的可行性，将各种措施配合使用。在使用的过程中应根据实际情况进行变通。

(3)在接地改造工程中，充分利用自然接地体不仅能够有效降低接地电阻，而且具有节省材料、接地电阻稳定、使用寿命长等优点。

(4)在使用外延接地方法时，应当尽量利用周围土壤电阻率低的地方进行降阻。

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