水下接地网在某水电站的应用

蔡 源

（新安江水力发电厂实业总公司工程部，浙江省建德市 311600）

水下接地网在某水电站的应用

蔡 源

（新安江水力发电厂实业总公司工程部，浙江省建德市 311600）

某水电站建设在黑云母花岗岩特高电阻率地区，原工频接地设计充分利用了厂坝区自然接地体和江水散流介质，由于受当时技术及工艺限制，加之电站建设年限久远及原接地网锈蚀断裂严重，致使接地电阻超标。采用新技术，敷设新水库水下网箱式立体接地网改造原接地网，取得了明显效果。

某水电站；工频接地；接地网；电阻

0 引言

某水电站位于浙江省建德市，于1960年4月发电，装机810MW，220kV出线六回，与一般的水电站一样地处山区，土壤电阻率较高，同时接地网相对分散。电站建设在黑云母花岗岩特高电阻率地区，原设计采用了分流、限流、均压、隔离等先进接地技术，充分利用了厂坝区自然接地体和江水散流介质。但由于受到当时施工条件的限制，人工接地网的有效散流面积太小；综合各年对接地网的接地电阻的测量数据，某水电站全厂的接地电阻约0.6Ω，未达到安全运行的要求值，而电站厂址的地质情况复杂，土壤电阻率较高，当发生设备短路后，地电位的升高使得高电位引出的问题比较严重，将严重危及人身安全和设备的安全运行；特别是为了避免地网反击电压和地下杂散电流产生的地网杂散电位对计算机监控系统等自动化电子装置的损坏和干扰，宜将全站的工频接地电阻降低到允许值。

1 接地网接地电阻设计

该水电站出线的电压等级为220kV，为中性点有效接地系统，通过向华东电力调度通信中心、浙江省电力调度所咨询，改造当年该水电站的单相接地电流约16kA，若按该水电站10年发展后的系统最大运行方式，其最大入地短路电流为20kA。

因此，根据国内许多大型水电站将接地电位提高到5000V左右进行接地网设计和运行的经验，在适当留有余地、保证安全的前提下，同时节省工程投资，该水电站设计的接地网工频接地电阻宜≤0.4Ω。

2 水库水下网箱式立体接地网设计及施工

2.1 接地网采用的方式

2007年3月，该水电站委托中南勘测设计研究院圭臬新技术公司并派人到现场详细了解了现有地网的现状和地形、地貌与地质条件，查阅了接地工程技术档案，对发电厂接地网的构造和运行测试情况以及厂坝区上下游的地质和电气参数进行了调查，并提取了水样，对环境水的导电性能和对金属结构的腐蚀做出了评价分析。在此基础上，提出了在电厂水库敷设水下网箱式立体接地网，形成深层立体地网，加强水下接地网与主厂房、主变压器引下线之间的连接与集中散流，将入地短路电流就近垂直引入地的深层低土壤电阻率层，扩大了散流体积，减少电流密度的方案，从而可将接地网的工频接地电阻降低到要求值。

2.2 水库水下网箱式立体接地网的原理

水库水下立体接地网其降低接地电阻的原理简述如下：平面地网为了降低接地电阻，往往会将地网面积扩展很大，但由于短路的作用时间非常短暂，陡度很大，可能引起地网上感抗的极大增加，沿水平接地极末端将会有很大的压降，使地网上的电位分布很不均匀，从而在设备两端产生很高的电压，干扰设备的正常运行，甚至损坏设备。电站现有的地网就是这种情况，接地范围很大，利用率很低，在高土壤电阻率地区非常危险，须加以改造。

充分利用水库江水电阻率低、水位稳定、腐蚀小、散流好等特点，将水平接地极引入水库底部，成为1个垂直接地极，这样使单根接地极垂直穿透到地的深层，受到库中的矿物质等低电阻率的影响，使得接地极四周的水电阻率大大降低，接地电阻也随即降低，若将许多根这样的接地极纵横纺织成网沉入库底，在水库的水平面形成一个以水平面为底，水深为半径的半球形网箱式接地网，我们将许多个这样的垂直接地极有机地连接起来，在库底的深层形成半球形散流的接地网，称为水下网箱式立体接地网。

水下网箱式立体接地网应与原接地网保持足够的距离，以减少相互之间的屏蔽影响，充分利用各自的散流作用，并与原接地网采用多点连接。该立体地网的形成，改善了整个接地网的导电率，增加了接地网的散流体积，从而达到降低地网工频接地电阻的目的。

2.3 水库水下网箱式立体接地网的理论计算设计

2.3.1 水库接地网计算参数

水平接地网面积：S≈60万m2

计算水位（死水位）高程：92m

计算河床平均宽度：500m

水面平均宽度：800m

计算水深：90～100m

库区计算水库接地体有效平均长度：L=1000m

水库接地体等效平均半径：L=100m

锚桩接地极个数：N=14

锚桩接地极深度：h=30m

锚桩接地极计算直径：d=0.1m

导电混凝土降阻系数：k=0.75

水电阻率：ρ1=100Ω·m

岩石电阻率：ρ2=1500Ω·m

计算用等值电阻率：ρ=750Ω·m

网孔系数：K1=1.2

地网利用系数：K2=1.2

屏蔽系数：K3=1

引流干线：采用TJ-120硬铜绞线，直流电阻为0.158Ω/km

2.3.2 水库接地网工频接地电阻的计算

（1）采用平均电位法和球面切块组合法计算接地电阻。

1）水库接地网的水平网接地电阻：

式中：ρ——等值电阻率；

L——计算长度；

Z——等效半径 ；

K1——网孔系数；

K2——地网利用系数；

K3——屏蔽系数；

ΔR——引流线电阻。

将水库接地网计算参数代入上式，得水下接地网水平网接地电阻为：

2）水库接地网的锚桩接地极的接地电阻：

式中：ρ——等值电阻率；

h——锚桩接地极深度；

d——锚桩接地极直径；

N——锚桩接地极个数；

k——导电混凝土降阻系数，取0.75。

3）水库接地网并联成立体接地网后的总接地电阻：

（2）采用非均匀土壤中接地网计算（《水力发电厂接地设计技术导则》DL/T 5091—1999中的推荐计算方法）来校正接地电阻：

式中：ρ1——水电阻率；

ρ2——岩石电阻率；

S——水平接地网面积；

K=0.3。

3 水下网箱立体接地网的敷设

（1） 为了减少水下网箱接地网与坝前水工建筑物自然接地体和人工接地体的屏蔽影响，在坝前200m处敷设水下接地网。

（2）在水库上游两岸分别布置7个接地锚桩，锚桩钻孔孔径0.1m，孔深30m，孔内安装φ48（壁厚3.5mm）的镀锌钢管，灌注DDT-M型导电混凝土，这样既可以作为锚桩固定钢绞线防止电极腐蚀，又能作为垂直接地极通过岸边的渗透水将电流散失，起到降低接地电阻的效果。

（3）为了减小地网自身的阻抗和大坝接地网的屏蔽，在坝前200m布置第1根TJ-120硬铜绞线。

（4）自右2-左2起，采用5根GJ-120硬铜绞线、间距100m横跨水库加重力锤沉入库底，右7-左7采用TJ-120硬铜绞线，中间再布置有3根TJ-120硬铜绞线纵向连接，每个交叉点都采取标准金具做机械连接，采用氧焊作电气连接，并用沥青作防腐处理。

重力锺的大小与形状根据水下接地极所处的位置与水流速度有关。

（5）左右两岸各1条采用TJ-120硬铜绞线作引流线，在坝前200m段可离岸50m敷设并沉入水库，上坝后横跨大坝，沿电缆沟与大坝主变压器接地网相连接。

图1 某水电站水下网箱接地网平面布置图

（6）为了防止被盗、船锚拖动等人为破坏，在水库两岸离岸50m，引流线在水下接地网两岸的锚桩锚固后再分别与7根GJ-120钢绞线连接，构成闭合回路，形成网箱式立体接地网。长宽比为2：1，接地网在水平面投影面积为500×800m2，等效接地半径约为350m。

（7）到达大坝的引流线极都必须与大坝的金属结构相连接，并引到开关站，与其均压网相连接，详见图1。

4 水下网箱立体接地网的改造效果

该水电站全厂接地电阻采用交流独立电源，一台20kVA隔离变作为独立测量电源，电极使用三角形布置，电压极采用独立拉线；将电压极用线人为从厂房拉出至电压极接地桩处，电流极用10kV 104线的部分线段，为了保证测量的准确性和与历史数据的可比性，线段的长度选择与历史上的选择相同（见图2）。为了检验试验的准确性，试验由该水电站、华东电力设计研究和中南勘测设计研究院圭臬新技术公司三方共同完成。测试的点位与历史相同，测试数据见表1。

图2 该水电站接地电阻测试接线原理图

表1 某水电站接地网改造前后接地电阻测试值 Ω

5 结论

（1）该水电站接地网改造后全厂工频接地电阻为0.34Ω，较改造前下降了43%，改造效果明显。

（2）在高岩石电阻率地区水电站采用库内布置水下立体网箱接地网是改造工频接地电阻的可行办法。

[1] 电力工业部绝缘配合标准化技术委员会. DL/T 621—1997，交流电气装置的接地. 北京：中国电力出版社，1997.

[2] 中华人民共和国国家经济贸易委员会. DL/T 5091—1999，水力发电厂接地设计技术导则. 北京：中国电力出版社，1999.

[3] 中华人民共和国国家经济贸易委员会. DL/T 5090—1999，水力发电厂过电压保护和绝缘配合设计技术导则. 北京：中国电力出版社，1999.

蔡 源（1969—），男，本科，高级工程师，电气专工，研究方向：水电一次设备检修及管理。E-mail：caiyuan2496@sina.com

Application of Underwater Grounding Grid in A hydropower Station

CAI Yuan
（Xin’anjiang Hydropower Station Industrial Corp Engineering Department，Jiande 311600，China）

A Hydropower Station is located in biotite granite particularly high resistivity areas. The original frequency grounding design took advantage of the natural grounding material and river discharging media distribution. But due to constraints of old technology and processing，and the old power plant and the original grounding grid was corroded and broken，which results in the grounding resistance exceeded.Adoption of new technologies，the original grounding grid is instead of new reservoirs with underwater cage 3D，and receive good results.

a hydropower station；frequency grounding;grounding grid；resistance