贵州省黄花寨水电站接地优化设计分析

郑 丽,李 伟

(1.贵州中水建设管理股份有限公司,贵州 贵阳 550002;2.西安华鼎项目管理咨询有限责任公司,陕西 西安 710000)

1 工程概况

黄花寨水电站位于贵州省长顺县境内格凸河上,是格凸河规划梯级电站中的第3级,开发方式为坝后式,调节性能较好,其下游为已经部分建成的河边电站。黄花寨水电站的建设,可以在相当程度上弥补长顺县的电力电量短缺、满足长顺县电力负荷需求,对地方经济发展起到一定的保障作用。水电站的枢纽工程由氧化镁拱坝、引水发电系统和厂房组成。电站厂房为地面式厂房,总装机为2×30 000 kW,多年平均发电量为2.216×104kW·h。

该电站的接地装置由厂区接地网、下游电站库区联合尾水接地网、大坝联合取水口接地网组成。各网之间通过人工接地体和自然接地体接成一整体,设计要求整个黄花寨水电站的接地电阻不大于1.44 Ω,但根据现场实际地质情况来敷设接地体,满足不了设计要求。为满足该电站的接地电阻要求,应研究可行的降阻措施方案。

2 电站接地优化设计的重要性

由于接地不良引起电气设备、微机保护设备等遭受雷击破坏事故时有发生,水电站的接地问题得到电站建设各方的高度重视。设计和施工作为接地工程质量的关键控制环节,应根据电站工程地质、水文气象等特征,因地制宜,认真研究和探讨,找到适合有效降低该电站接地电阻的优化接地方案和装置措施,做好水电站的接地工作,确保水电站所有机电设备安全可靠、节能经济地运行。

3 黄花寨水电站接地电阻偏高的原因分析

从现场踏勘和取样分析,认为黄花寨水电站接地电阻偏高的原因主要有以下2点:

(1)土层薄,地质条件较差。该站所处的土质为风化石土壤,且土层薄,大多地方为岩石,没有土层。由于土层薄,就会影响接地装置的水平接地体和垂直接地体的埋深,其深度一般达不到设计要求。接地体只能敷设在地表,一是由于上层较薄土壤土质松散易造成接触电阻大,且因土壤干湿度易变化,造成接地体的接地电阻不稳定。二是由于上层较薄土壤含氧量很高,接地体容易发生吸氧腐蚀,使接地体与周围土壤之间的接触电阻增大。

(2)场地有限,接地面积偏小。由于该电站处在山谷中,场地狭小,厂房后面几乎没有场地可用于敷设接地装置,接地网面积偏小,降低接地电阻非常困难。

4 降低接地电阻采取的优化措施

由于该电站大坝距厂房不远,设计考虑将厂房、升压站和大坝的接地装置形成一个统一接地体,同时在坝前库区布置1个80 m×80 m接地网,网孔共64个。根据坝区实际情况,在坝前库区接地网面积无法满足设计要求,故采取以下2个优化措施:

4.1 引外接地体

接地面积是决定接地电阻的主要原因之一,接地网的面积越大,接地电阻越小。当接地电阻未达到要求时可以采用将主接地网向前延伸的方法。在制作接地网时是将各接地分网用2根铜或钢母线连接成一完整而大型的复合接地网络。

4.2 水下接地

该电站可在水下敷设人工接地体以降低接地电阻。水下接地网首先考虑在便于施工的水量丰富、水域宽阔、水位较高的场所,如水库库区、尾水渠、下游河道或者附近低电阻率的水源中。

5 电站接地装置的优化方案

该电站的接地系统在优化设计时首先考虑充分利用自然接地体,如主厂房的主钢筋网、引水钢管等,把这些自然接地体连接成一个可靠的整体,可以有效地降低接地电阻。但仅依靠自然接地体很难达到要求,所以该电站将以人工接地为主,自然接地为优化设计容量考虑。针对该电站采取相应的优化降阻措施,接地装置由厂区接地网、下游电站库区联合尾水接地网、大坝联合取水口接地网组成。

5.1 厂区接地网

除充分利用厂房各种自然接地体外,还在升压站旁敷设了人工接地网并可靠连接,厂区接地网面积为700 m2。

5.2 下游电站库区联合尾水接地网

由于该电站尾水下游是河边电站库区,因此,在尾水中敷设了不少于16个网孔的人工接地网,并与主厂房底板连接在一起,下游电站库区接地网面积为8 500 m2。

5.3 大坝接合取水口接地网

1个引水隧洞、3孔泄洪门组成取水口建筑物,各闸房接地体相互连接。进水口前库区敷设人工接地网5 600 m2,引水隧洞中敷设人工接地网6 000 m2。1个引水隧洞和3孔泄洪门的自然接地体与厂房接地网连接在一起。

6 电站接地电阻的计算

黄花寨电站所处地理位置较特殊,在设计电站接地时,根据黄花寨水电站 《接入系统设计》得最大接地短路电流后,依据设计电阻计算公式[1-3],其步骤如下:

(1)接地电阻要求。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:

式中:R为考虑季节变化的最大接地电阻,Ω;I为计算用的流经接地装置的入地短路电流,A。

(2)入地短路电流计算。流经接地装置的入地短路电流计算:

当在厂、所内发生单相接地短路时,流经接地装置的电流[1-2]计算为:

式中:Imax为接地时最大接地短路电流,A,此计算由《接入系统设计》查得为4.3 kA;Iz为发生最大接地短路时,流经发电厂、变电所接地中性点的最大短路电流,A,经计算为1.694 kA;Kf1为当在厂、所内发生单相接地短路时,避雷线的工频分流系数,Kf1=0.557[2]。

故:I=(4.3-1.694)×(1-0.557)=1.155 kA。

(3)流经接地装置的电流计算。当在厂、所外发生单相接地短路时,流经接地装置的电流计算[1-2]为:

式中:Kf2为当在厂、所外发生单相接地短路时,避雷线的工频分流系数,Kf2=0.18。

故:I=1.694× (1-0.18)=1.389 kA

把计算用入地短路电流取以上二者中较大的电流值代入R≤2 000/I后,计算得该电站要求的接地电阻 R≤1.44 Ω。

7 接地电阻的测量

接地装置设计能否满足运行要求,是关系到电站安全运行的重大问题。因此在第1台机组投运前,对电站接地装置的接地电阻进行了测量。

7.1 测量方法

此次测量采用交流电压、电流直线法。

(1)电流线采用6 mm2铜芯塑料线沿水电站向上铺设,直线距离为1 100 m,为地网最大对角线的5倍,满足测试导则规定的4～5倍的规定。电流接地极采用在公路旁将5根1.5m长的角钢用20 m的24 mm2扁铜线连接成闭合网后打入地中,使之成为一个临时测试地网。

(2)电压线采用1.5mm2铜芯塑料线,沿电流极水平方向布置,电流线和电压线之间的距离不小于1 m,电压极采用1根长1 m,规格为60 mm×60 mm×4 mm的角钢打入地中。电压极位置顺电流线直线方向分别为L1(118 m)、L2(124 m)、L3(130 m)3点。

(3)测试方向时,以大坝接地引下线作为第1测试点校验地网接地电阻测量工程零电位点是否正确,经测试3点之间的误差小于5%,符合测试规律,证明零电位点的选择是正确的。零电位点校准完成、设置好电压极后,对大坝接地引下线、厂房接地引下线及升压站等点进行接地电阻测量。

(4)测量电流上游方向放线电流为12 A左右,测量电源电压为380 V正反极性。电源经30 kVA隔离变压器供电。

7.2 接地电阻测试记录

在2011年4月28日,当日温度为28℃,湿度为45%,黄花寨水电站接地网接地电阻测试记录见表1。

表1 接地电阻记录表

由表1可知,根据电站的实际情况,该站的接地网布置方式可行,能满足电站设备的安全运行。

8 结 语

通过对黄花寨水电站接地网分析,并结合其他水电站接地网的设计和实施经验,接地电阻偏高主要是由于土壤电阻率高,土质差,土层薄,接地体埋深不够,从而使接地网面积小。因此,山区水电站的接地设计要结合现场的实际情况进行综合分析,通过经济比较,采取真正有效而又经济的降阻措施,降低电站的接地电阻,保证黄花寨水电站的安全稳定运行。

[1]中华人民共和国能源部.DL/T 5091—1999水力发电厂接地设计技术导则 [S].北京:中国电力出版社,1999.

[2]水利电力部西北电力设计院编写组.电力工程电气设计手册(电气一次)[M].北京:中国电力出版社,1989.

[3]王仲仁,文习山.水电站接地设计 [M].北京:中国水利水电出版社,2008.