（高电压与绝缘技术专业论文）水电站接地问题改造措施研究.pdf

摘要 水电站是一种经济性、环保性、可持续性都较好的发电厂，由于我国的河 流众多，并且国内经济的高速发展对电力的需求量也越来越大，水电站的数量 也在不停的增加，尤其是三峡等一大批大型水电站的相继建设，安全运行是水 电站的基本要求，水电站的接地电阻值是保证水电站安全运行的重要系数，很 多水电站建设完成后，就发现水电站的接地电阻超过了水电站安全运行的接地 电阻值，然而大型水电站( 包括常规水电站和抽水蓄能电站) 一般都建在土壤电 阻率较高的山区等地区，因此，为了确保电站的安全稳定运行，提高供电可靠 性，必须对这种问题进行专门的研究，提出相应的解决方案，并配备了一套与 之相适应的安全保护系统。 水电站的接地系统是保证水电站安全可靠运行、保障运行人员和电气设备 安全的重要措施。当电力系统发生接地工频短路故障或其它大电流入地时，如 果接地电阻值比较大，就会造成地网电位升高：而且如果接地系统设计方案不 合理，还会导致接地系统本身局部电位差超过安全值。可见，电力系统的接地 问题是一个看似简单、实际上却是特别复杂而又至关重要的问题，它直接关系 到人身安全及电力系统安全稳定的运行，有效抑制由入地电流引起的电压上升 或跨步电压的产生。 本文首先对影响水电站接地电阻大小的一些因素，其中有地形特点、水电 站结构特点、水电站的环境因素进行了详细的分析。通过对光照水电站和锦江 水电站进行现场调查和测试，并根据调查和测试结果对两个水电站进行了改造 方案的设计。 在对水电站的接地问题进行分析，从接地连接问题、均压问题、工频电阻 超标、接地网的腐蚀问题几个方面进行了讨论，针对水电站存在的问题提出了 针对性的、切实可行的改进措施，以保证水电站的安全稳定运行，并对其他水 电站的综合改造起到参考作用。 关键词：水电站；接地网；水下接地网；土壤电阻率；接地电阻 a b s t r a c t h y d r o p o w e rs t a t i o ni se c o n o m i c ，e n v i r o n m e n t a l ，a n ds u b s t a n t i a l d u e t ot h e 1 a r g en u m b e ro fr i v e r si nc h i n aa sw e l la s t h eg r o w i n gd e m a n do fe l e c t r i c i t y ，t h e n u m b e ro fh y d r o p o w e r s t a t i o n si s c o n s t a n t l y i n c r e a s i n g ，e s p e c i a l l y t h e c o n s t r u c t i o no f t h r e eg o r g e sa n do t h e rl a r g eh y d r o p o w e r s t a t i o n s s a f e o p e r a t i o ni st h eb a s i cr e q u i r e m e n t o fp o w e rs t a t i o n t h eg r o u n d i n gr e s i s t a n c e v a l u ei sa ni m p o r t a n tc o e f f i c i e n tt o e n s u r et h es a f eo p e r a t i o no fh y d r o p o w e r s t a t i o n a f t e rt h ec o m p l e t i o no fc o n s t r u c t i n gm a n yh y d r o p o w e r s t a t i o n ，t h e s t a t i o n ，sg r o u n d i n gr e s i s t a n c ev a l u ei sf o u n dh i g h e rt h a nt h ev a l u en e e d e db yt h e s a f eo p e r a t i o no fh y d r o p o w e rs t a t i o nh o w e v e r ，l a r g e 。s c a l eh y d r o p o w e rs t a t i o n s f i n c l u d i n gc o n v e n t i o n a lh y d r o p o w e rs t a t i o na n dp u m p e ds t o r a g e p o w e rs t a t i o n ) a r eg e n e r a l l yb u i l to nh i g hm o u n t a i n sw h e r et h es o i lr e s i s t i v i t yi sh i g h ，t h e r e f o r e ， i no r d e rt oe n s u r et h es a f eo p e r a t i o no fp o w e rs t a t i o n s ，a n di m p r o v ep o w e r s u p p l y r e l i a b i l i t y ，s p e c i a lr e s e a r c ha n da p p r o p r i a t es o l u t i o n sm u s tb ed o n e ，a n d as u l t a b l e s e c u r i t ys y s t e mm u s tb ee q u i p p e d g r o u n d i n gs y s t e mi nh y d r o p o w e rs t a t i o ni s a ni m p o r t a n tm e a s u r et oe n s u r e s a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o n ，s e c u r i t yo fp e r s o n n e l ，e l e c t r i c a le q u i p m e n t w h e n s h o r t c i r c u i t f a u l th a p p e n so ro t h e rh i g hc u r r e n tc o m e si n t ot h eg r o u n d ，i ft h e g r o u n d i n gr e s i s t a n c ei sq u i t eh i g h ，i tw i l lc a u s eap o t e n t i a lr i s ei nn e t ；a n d i ft h e g r o u n d i n gs y s t e md e s i g n i su n r e a s o n a b l e ，t h el o c a lp o t e n t i a l d i f f e r e n c eo f g r o u n d i n gs y s t e mi t s e l fc a nb eh i g h e rt h a nt h es a f el e v e l i tc a n b es e e nt h a tp o w e r s v s t e mg r o u n d i n gp r o b l e mi sas e e m i n g l ys i m p l e ，b u ti nf a c tp a r t i c u l a r l yc o m p l e x a n dv i t a li s s u e i ti sd i r e c t l yr e l a t e dt op e r s o n a ls a f e t y ，s e c u r i t y a n ds t a b i l i t yo f p o w e rs y s t e mo p e r a t i o n i tc a na l s oe f f e c t i v e l yi n h i b i tt h eg e n e r a t i o no fv o l t a g e r i s i n go rs t e pv o l t a g e t h i sa r t i c l ef i r s ta n a l y z e st h ei n f l u e n t i a lf a c t o r so fg r o u n d i n gr e s l s t a n c e i n h y d r o p o w e rs t a t i o ni n d e t a i l ，s u c ha st e r r a i nf e a t u r e s ，s t r u c t u r a l f e a t u r e sa n d e n v i r o n m e n t a lf e a t u r e so fh y d r o p o w e rs t a t i o n a c c o r d i n gt o t h er e s u l t so ff i e l d i n v e s t i g a t i o n a n dt e s t i n gi ng u a n g z h a oh y d r o p o w e r s t a t i o na n dj 1 n j l a n g h y d r o p o w e ts t a t i o n ，t h ed e s i g no fm o d i f i c a t i o ns c h e m e i nt h e s et w oh y d r o p o w e r s t a t i o n sa r ec o m p l e t e d g r o u n d i n gi nh y d r o p o w e rs t a t i o ni sa n a l y z e d i s s u e so f g r o u n d i n gc o n n e c t i o n ， v o i t a g e ，e x c e s s i v ef r e q u e n c yr e s i s t a n c e ，c o r r o s i o no fg r o u n d i n ga r ed i s c u s s e d i i s p e c i f i c ，p r a c t i c a li m p r o v e m e n tm e a s u r e sa r ep r o p o s e d i nt e r m so fp r o b l e m s e x i s t i n gi nh y d r o p o w e rs t a t i o nt oe n s u r et h es a f eo p e r a t i o no fh y d r o p o w e rs t a t i o n s ， a n dp l a yt h er e f e r e n t i a lr o l ei nc o m p r e h e n s i v et r a n s f o r m a t i o no fo t h e rs t a t i o n s k e y w o r d s ：h y d r o p o w e r ；g r o u n d i n g ；u n d e r w a t e rg r o u n d i n g ；s o i lr e s i s t i v i t y ； g r o u n d i n gr e s i s t a n c e i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 e t 本人承担。 作者签名：缃辱) 7 镯嗍m 年厂月少日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：瑚景 导师签 日期：p 年y 月夕日 醐卿刊1 夕日 确勿 1 伊x 1 1 课题研究背景 第一章绪论 1 1 1 水电站接地的意义 随着电力事业的讯速发展以及电网规模的不断扩大，加上各种微机 控制装置在电力系统中的普遍应用，特别是近些年来随着现代化大电网 向超高压和大容量方向的发展，各发变电站的入地工频短路电流大幅 升高，对于发变电站安全、稳定及经济运行的要求越来越高，因此电力 系统的接地研究就成为电力系统设计的重要组成部分。而接地是一个系 统的问题，接地装置的效果与接地装置接地电阻的大小、地网均压是否 良好、电气设备是否有效接地、接地线是否符合热稳定的要求及接地装 置是否腐蚀均有关系。 对大型水电站接地网接地电阻的计算是大型水电站设计中时常碰到 的问题，然而大型水电站( 包括常规水电站和抽水蓄能电站) 一般都建在土 壤电阻率较高的山区等地区，因此，为了确保电站的安全稳定运行，提 高供电可靠性，必须对这种问题进行专门的研究，提出相应的解决方案， 并配备了一套与之相适应的安全保护系统。大型水电站的接地系统是 保证水电站安全可靠运行、保障运行人员和电气设备安全的重要措施。 当电力系统发生接地工频短路故障或其它大电流入地时，如果接地电阻 值比较大，就会造成地网电位升高；而且如果接地系统设计方案不合理， 还会导致接地系统本身局部电位差超过安全值。可见，电力系统的接地 问题是一个看似简单、实际上却是特别复杂而又至关重要的问题，它直 接关系到人身安全及电力系统安全稳定的运行，有效抑制由入地电流引 起的电压上升或跨步电压的产生。 通过以上的介绍可以知道接地系统的重要意义，在这里我们解释一 下接地系统的相关概念。 在电力系统中为了安全和工作的要求，常需将电力系统及电气设备 的某些部分与大地相连接，这就是接地。接地就其目的来说可以分为工 作接地，防雷接地，和保护接地三种。工作接地是为了降低电力设备的 绝缘水平( 如变压器等设备的中性点接地) 的方式；防雷接地是为了避免雷 电造成的危害而设置的接地，例如设置避雷针，避雷线，避雷器等防雷 设备通过接地网将雷电流导入地下；保护接地是为保证人身安全而采取 的电力设备外壳接地措施心1 。 接地体的接地电阻是电流i 经接地电极流入地下时，接地电极的电位 v 与i 的比值，这主要是大地内部呈现的电阻。接地电阻的大小除了和大 地的结构，土壤的电阻率有关外，还和接地体的几何尺寸及形状相关。 在雷电冲击电流流经时还与流经接地体的冲击电流的幅值和波形相关。 一般将短路时的接地电阻值称为工频接地电阻值，而将雷电冲击的接地 电阻值称为冲击接地电阻值。通常雷电流流经过程短暂，入地电流衰减 较快，对其它电气设备的影响不大，工程上经常采用在避雷器( 针、线等) 的接地点位置附近布置接地极等方法就可得到较小的冲击接地电阻值。 因此本文中主要讨论工频接地电阻值。当入地电流离开接地体在大地中 扩散时，在地袭上将出现一定的电位梯度分布。当人在电极附近走路或 触摸时，人的两脚或脚手之间将处于大地表面的不同电位点上，这将使 人遭受接触电势和跨步电势的作用。 从上面可以看出，电站接地系统设计的主要内容包括：工频( 冲击) 接地电阻，接触电压，跨步电压，另外还包括网孔电压及电站附近的地 表电位分布等问题。由于时间限制，本文仅讨论其中的一个重要方面一 水电站的工频接地电阻问题。长期以来，工程中常采用经验公式在测量 得到土壤等效电阻率的基础上进行近似计算或模拟试验等方法给出接地 电阻值的估算值。这在初步设计阶段起到相当重要的作用，但往往由于 各种原因使其计算结果与实际情况相差较远，对于指导施工图设计则显 得较为粗糙3 。 近年来，随着计算机技术的飞速发展，逐渐将以往采用简化解析法 处理的问题，通过提供更加精确的数学模型，充分利用计算机在计算、 循环、判断等处理能力上的先天优势，以克服采用经验公式计算发变 电站接地系统接地参数存在的误差就成为必然。 1 1 2 水电站接地电阻目标值的确定 1 1 2 1 水接地装置接地电阻的要求 由于水站接地的意义重大，因而在对水的接地装置进行设计或改造 时，应充分考虑各方面因素的影响，而设计中最关键的问题就是如何确 定接地装置的接地电阻目标值。接地装置的接地电阻是一个至关重要的 参数，它直接关系到入地短路电流的大小。如果接地装置的接地电阻 目标值确定过大，将不能满足入地短路电流的要求，不能有效地泄放入 地短路电流；如果接地装置的接地电阻目标值确定过小，将增加投资， 造成不必要的浪费。 2 d l t 5 0 9 1 19 9 9 水力发电厂接地设计技术导则中规定，在有效接 地系统和低电阻接地系统中，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( 1 1 ) 要求： 。，2 0 0 0 ks l ( 1 1 ) 式中，r 考虑到季节变化的最大接地电阻，q ； 卜计算用的流经接地装置的入地短路电流，a 。 式( 1 1 ) 中计算用的流经接地装置的入地短路电流，采用在接地 装置内、外短路时，经接地装置流入地中的最大短路电流对称分量最大 值，该电流应按5 10 年发展后的系统最大运行方式确定，并应考虑系统 中各接地中性点间的短路电流分配哺1 ，以及避雷线中分走的接地短路电 流。 在高土壤电阻率地区，当接地装置要求作到规定的接地电阻值在技 术、经济上极不合理时，接地电阻值可以放宽( r 0 ) ( 3 - 2 0 ) 当积分单元r 上各节点的( d u d n ) ，利用，= 1 p ( d u d n ) s ，求得各个单元的 流散电流，其中s 为单元r ，的面积。接地电阻为r = 矾f ，。 经过以上对水下接地网接地电阻值的算法分析，在对水电站的接地 改造中有极其重要的作用，水电站的安全性是水电站正常运行最重要的 要求，尤其是大型水电站工频短路电流过大、雷电的过电流都会对电力 系统、电气设备造成损害心6 1 ，为了提高对大型水电站的安全保证，水电 站的接地电阻必须要达到d l t 5 0 9 卜19 9 9 水力发电厂接地设计技术导 中对水电站的接地电阻值。 根据第二章对水电站的地形地貌的分析，水电站周边环境可利用的 进行外延接地电网的区域比较狭小，水下接地网是大型水电站接地改造 的一个重点项目，水电站有特殊的地理环境因素决定了水下地网的实施 更加方便，大型水电站都会铺设水下接地网用来降低接地电阻。但是在 大型水电站的接地改造过程中铺设水下接地网的接地电阻值心3 q5 1 ，常常 因为使用r w = k s 熹公式来计算，改造后接地电阻值无法达到设计的目标 值，甚至会对水电站的运行造成安全隐患，我们通过土壤复合分层结构 用边界元算法来计算水下接地网的接地电阻，使用这种方式来准确计算 水下接地网的接地电阻妇”，来弥补在大型水电站接地网接地电阻计算的 误差，达到改造大型水电站接地的要求目标值。 3 3 水电站接地改造设计 水电站的接地改造是一个复杂的系统的过程，水电站的接地改造的 目的是达到规程要求的接地电阻目标值，但是要注意在接地改造设计中 要充分利用水电站现有的条件，尤其是大坝本身的混凝土结构中的钢筋 结构，本体的金属结构是天然的接地体，在设计过程中，还要注意开关 站的均压措施、跨步电压、设备的接触电压的安全性。 我们以锦江水电站和光照水电站的改造设计方案为例，来对水电站 接地电阻改造的问题进行分析。 3 3 1 锦江水电站接地改造方案 锦江水电站是一个小型水电站，锦江水电站工作人员提供的水电站 的接地电阻值为0 9q lq 之间，根据d l t 5 0 91 19 9 9 水力发电厂接地 设计技术导中大接地短路电流系统的水电站接地装置的接地电阻安全 值，锦江水电站提供的最大短路电流i 为4 0 0 0 a 。 r 2 0 0 0 = 0 5 f 2 经过对锦江水电站的环境的考察，锦江水电站周围可以使用进行外 引接地条件的地方包括竹林，木材加工厂场，还有在大坝下游的河流区 域。我们根据现场条件对锦江水电站接地改造进行了新的设计。 距离大坝2 0 0 米处竹林，竹林的土壤电阻率p 为4 9 0q m ，可以做水 平外引接地体。外引接地体长度为12 0 m ，宽度为2 5 m ，面积为3 0 0 0 m 2 。 内部做成2 5 m 15 m 的网格。接地体使用16 的圆钢，埋深为1 米。 外延接地网接地电阻值计算： s = 1 2 0 x 2 5 = 3 0 0 0 m 2 ，以= 5 4 7 7 b ：l ：0 9 2 2 5 1 + 4 6 乍h v s r e - o 2 1 3 岩( 】+ 召) + 彘( 1 1 1 嘉- 5 驴3 6 6 3 5 + o 8 9 4 6 6 - 4 5 5 8 16 n 去一。捌等= 0 9 0 6 5 r n l = 0 6 r e = o 9 0 6 5x 4 55 8l6 = 4 1319q 式中：s 一外延接地网面积；l 一接地网中水平接地体总长度，m ； l o 一接地网中水平接地体周长，m ；h 一电阻率为p 的地层深度，1 1 1 ； p 一土壤电阻率，q m ；l 一垂直接地体的长度，m ；d 一垂直接地体的直 径，n l 。 经计算，该外引的接地电阻值为4 1319q ，与主接地网并联后达不到 0 5q 的要求故还需选择其他地方做外延，在距离大坝5o o 米处木材加工厂 可做为第二外引接地体，木材场的土壤电阻率p = 3 4 0 f 1 m ，明显低于竹林 的土壤电阻率。木材加工厂接地体长为2 5 0 米，宽为30 米，内部做成 3 0 m 2 0 m 的网格。接地体使用16 的圆钢，埋深为1 米，同样用上述方法 可得出此地网的接地电阻： s = 2 5 0 3 0 = 7 5 0 0 m 2 。= 8 6 6 0 2 5 b ：l ：0 9 4 9 5 6 1 + 4 6 下h qs r e - o 2 1 3 老( 1 + 曰) + 彘( 1 1 1 嘉- 5 驴1 6 3 0 3 + o 3 7 1 6 7 - 2 0 0 2 a s = n 去一。捌等= 0 8 3 5 r n 2 = q ，r e = 0 8 35 2 0 0 2 = 1 6 718q ； 式中：s 一外延接地网面积；l 一接地网中水平接地体总长度，m ； l o 一接地网中水平接地体周长，m ： h 一电阻率为p 的地层深度，m ；p 一土壤电阻率， q m ； l 一垂直接地体的长度jm ；d 一垂直接地体的直径，m 。 经计算，第二外引接地体电阻为1 6 718 f l 。 另外，我们还需考较接地引下线的截面大小是否符合接地短路电流 热稳定的要求和地面跨步电压和接触电压是否符合规程要求，分别计算 如下： 热稳定系数： 昝等厄= 等以= 9 8 ( r a m 2 ) 选用5 0 5 的扁钢截面积为：2 5 0 m 2 ，l6 的圆钢的横截面积为2 0 1m 2 完全满足短路电流的热稳定需要。 式中：s g 一接地线的最小截面，m m 2 ； i g 一流过接地线的短路电流稳定值，a ； 3 0 t 一接地短路的等效持续时间，取1s ； c 一接地线的热稳定系数，钢取7 0 。 地面跨步电压值为： u 。丝半：丝_ 掣：2 9 8 5 ( v ) q tq3 式中：t 一接地短路电流持续时间，取3s ，p 。地面土壤电阻率，取4 9 0 q m ： 计算表明该跨步电压值小于目标值3 2 6 v ，对行人是安全的。 接地网的设备接触电压为： u 坐二掣丝：坐二型生：1 4 8 5 ( v )i 0 t0 3 式中：t 一接地短路电流持续时间，取3 s ，p 。地面土壤电阻率，取4 9 0 q m ： 因为两块外引与站内接地网并联后接地电阻值无法达到目标值要 求，使用截面为o 2 mx 0 2 m 的g p f 9 4 高效膨润土降防腐剂后，并考虑到 互阻的影响，接地电阻r 总= r 站内阻r n l r 。2 = 0 4 9 q ，符合目标值要求。 在锦江水电站中最后方案( 3 1o ) 未使用水下接地网，在对锦江水电 站的接地改造设计中，两块外引接地网加防腐降阻剂并联主接地网满足 了锦江水电站的目标值，水下接地网的优点在以上已经讨论过，但是水 下接地网的缺点也是很明显的，首先，水下接地网的造价高于地下接地 网，水下接地网的施工难度大心引，尤其是大型水电站中，大坝库深也是 施工难度大的原因，其次是水下接地网的使用寿命要明显比地下接地网 要短，原因是水中的电化学反应过对接地网钢材的年腐蚀率大概为 0 4 0 6 m m a ，所以综合以上条件我们在锦江水电站的接地改造中没有使 用水下接地网。 图3 10 锦江水电站的接地改造设计图 3 3 2 光照水电站的接地网改造方案 光照水电站是大型水电站，光照水电站为新建水电站，主体工程建 设完毕，该电站原设计铺设一部分接地网，经过测试，在大坝上游注入 点测试接地电阻为1 0 2 q ，在厂房附近选择注入点测试接地电阻为1 3 2 t - 2 ， 接地电阻值偏高，该地网还存在连接不够可靠等问题，通过对现场调查 实验，对光照水电站进行了新的接地设计。 根据光照水电站提供的最大短路电流i 为50 0 0 a ， r 2 0 0 0 ：0 4 f 2 一 i l 、水平外引一设计与计算： 水平外引一设计在厂区平台前坡下的江边，测点3 所在位置。外引 设计宽4 0 米，沿江边延伸lo o 米。内部铺设2 0 米x 2 0 米的网格接地体 使用l6 的普通圆钢，接地体埋深1 米。在接地体交点处做垂直接地极， 接地极使用5 0 5 2 0 0 0 的普通角钢。接地体周围敷设截面为0 4 mx 0 3 m 的g p f 一9 4 a 高效膨润土降阻防腐剂，起降阻、防腐作用。 3 2 接地电阻计算如下： s = 4 0 * 10 0 = 4 0 0 0 m 2 ，= 6 3 2 5 ， 胪丐1 - 0 9 3 2 2 r e - o 2 1 3 老( 1 + b ) + 彘( m 嘉- 5 驴o 8 6 8 + 0 2 1 3 1 o 8 1 n 去- o 捌萼- o r n = 比r e = 0 9 6 1 0 8 1 = 1 0 3 7q 接地体四周加该降阻防腐剂后接地电阻为：r 9 2 = r g lk f k p 。 式中r g l 未施加降阻剂时的工频接地电阻，q ；r 9 2 一施加降阻 剂以后，接地装置的接地电阻，q ；k f - 降阻剂的降阻系数，其值与施 加降阻剂的截面尺寸有关；k p ：一大型地网的屏弊系数，对大型地网；k p 一般为1 2 1 4 。取降阻剂的将阻系数k f _ 0 4 ， r 9 2 = r 9 1k f k p = 1 0 37 0 2 5 1 2 = 0 3 1q 。 2 、大坝下游水下地网设计 在厂区以下河段，沿河两侧铺设水网，如设计图纸所示。水网宽4 0 米，长l5 0 0 米。内部作成4 0 米x10 米的网格。使用l6 的铜包钢。在 河的两岸，沿河的方向每隔2 0 米打一根约5 米深的水泥灌注桩，以固定 水网。 水网接地电阻计算： 上层水电阻率取9 9 6 4 8q m ，下层电阻率取9 4 2q 1 3 3 ，s = 6 0 0 0 0 m 2 ， s = 2 4 4 9 5i 大坝下游水下电网由于下游的水位比较低，在水网接地电阻 值： 由d l t 5 0 91 19 9 9 水力发电厂接地设计技术导则得水网计算公式 为： 尺= o 5 墨! 鱼二璺! 2 1 ( 3 - 2 1 ) 一s 式中：p1p 2 一一分别为上下层土壤的电阻率q m ；k 一一系数，取 o 5 。 计算结果为：r = 1 0 6 3q 。 3 、大坝上游水下地网设计 大坝上游已铺设一片水下地网，大致区域为沿河两侧往上游延伸2 0 0 米左右，内部铺设10 米xlo 米的网格。但该区域水网由于与水电站主地 网连接薄弱，且已施工完毕，水库内蓄水，无法焊接，所以在大坝上游 水网设计时考虑在原敷设水网区域设计双层水网，这样即可以加强原水 网和主地网的连接，又可以起到他们一部分降阻作用，该部分水网内部做 8 0 米x2 0 米的网格，使用16 的铜包钢。 大坝上游补充的水下地网设计：从原上游水网边缘起，沿河道两侧 向上继续做水下地网，长度为10 0 0 米，宽按8 0 米计算。水网内部做8 0 米x10 米的网格，使用中16 的铜包钢。在河的两岸，沿河的方向每隔2 0 米打一根约5 米深的水泥灌注桩，以固定水网。 由于大坝上游的库深最大处为7 4 5 米，作为补充水网接地电阻计算 就不可以使用上述的公式了，通过： 上层电阻率取9 9 6 4 8q m ，下层电阻率取9 4 2q m ，s = 80 0 0 0 m 2 ， s = 2 8 2 8 4 ，南岸的土壤电阻率取值为215q ，北侧电阻率取3 2 6q 。 利用f = 1 p ( d u d n ) s ，将各个节点代人公式r = 洳1 中， 计算结果为：r - - 0 9 2q 。 4 、水平外引二设计与计算 在厂区前的平台处铺设水平外引。长10 0 米，宽8 0 米，如设计图纸所 示。内部铺设2 0 米x2 0 米的网格。接地体使用16 的普通圆钢，接地体 埋深1 米。在接地体交点处做垂直接地极，接地极使用5 0 x5x 2 0 0 0 的普 通角钢。接地体周围敷设截面为0 4 m o 3 m 的g p f 一9 4 a 高效膨润土降阻 防腐剂，起降阻、防腐作用。 接地电阻计算如下： s _ - 8 0 0 0 m 2 ，石= 8 9 4 4 ， b ：o 9 51 1 + 4 6 皂 s r e _ 0 2 1 3 去( 1 + b ) + 彘( m 嘉_ 5 驴4 3 7 + o 9 4 4 = 5 3 1 ； q 3 n 去- 0 2 】鱼l0 = 0 9 8 8 r n = q r e = 0 9 8 8x 5 31 = 5 2 4 6q ； 接地体四周加该降阻防腐剂后接地电阻为：r 9 2 = r g lk f k p 式中：r g l - 未施加降阻剂时的t 频接地电阻，q ； r 9 2 一施加降阻剂以后，接地装置的接地电阻， q ； k 卜降阻剂的降阻系数，其值与施加降阻剂的截面尺寸有关： k p ：一大型地网的屏弊系数，对大型地网； k p 一般为1 2 一1 4 。 取降阻剂的将阻系数k f - o 2 5 ， r 9 2 = r 9 1 k f k p = 5 2 4 6 x 0 2 5 1 2 = 1 5 7 3 8q 。 以上四块地网并联，再与原铺设的主地网连接后，考虑互阻因素，接地 电阻达到0 2 3 2q 。 土壤电阻率取该处土壤较湿润时为准( 5 3 8 3q 所) ，跨步电压目标值 为： u r ：1 7 4 + 1 0 一7 p s ：1 7 4 + 0 1 7 ，x 一5 3 8 3 = 1 4 9 7 矿 “ f2 最大跨步电压计算： s = 4 0 * 10 0 = 4 0 0 0 m 2 ，4 s - - 6 3 2 5 ， l = 4 0 6 + 1 0 0 幸3 = 5 4 0 m ，l 0 = 2 8 0 m 。h = 1 m ，d = 0 0 1 6 m 最大跨步电压为：us 一= ks m a x u g 式中：u ，懈为最大跨步电压，ks m 貅为最大跨步系数 1 1 值授矩彤地网计算 n ：2 ( 三) ( 乓) - ，2 。4 0 57 k叫s b = o 1 石o 2 014 a 2 - o 3 5 卑) 1 1 4 学卜0 1 8 7 5 d = 0 016 a x = ( 1 5 - a 2 m ( 端) 么( 等) - 0 0 6 6 u 。= i r = 2 0 0 0 v o 。懈= ks m a x u9 2 0 0 6 6x 2 0 0 0 = 1 3 2 27 v ； 满足跨步电压的要求。( 小于目标值14 9 7 v ) 5 、水平外引二跨步电压核算 3 5 土壤电阻率取该处较湿润时为准( 4 7 1q 聊) ，跨步电压目标值为： ：1 7 4 + 0 7 p s ：1 7 4 + f 0 7 x 4 7 1 ：3 5 6 2 2 y 、tz 最大跨步电压计算： s = 8 0 0 0 m 2 ，j s ：8 9 4 4 ， l = 9 8 0 m ，l 0 - - 3 6 0 m 。h = 1 m ，d = 0 0 16 m 最大跨步电压为：u ，一= ks m a x u g 式中：u 删& 为最大跨步电压 k ，一为最大跨步系数 n 值按矩形地网计算 戚c 寺，c 去) l 2 嘻4 6 ， b = 0 1 石= 0 2 3 3 6 a ：- o 3 5 ( n - 刀2 ) 1 1 4 崇u ) 占- o 2 6 8 4刀j d = 0 0 1 6 k s 一= ( 1 5 - a 2 m ( 筹) 名筹) _ 0 0 5 9 3 u 9 2 i r = 2 0 0 0 v us m 戤= ks m a x ug = 0 0 5 9 3x 2 0 0 0 = 118 7 6 v ； 满足跨步电压的要求。( 小于目标值4 71v ) 3 6 图3 1 1 光照水电站接地改造方案设计图案 3 7 第四章水电站接地问题分析 4 1 水电站设备的接地连接问题 水电站的在经过多年的运行，有些在水电站的接地网与电气设备连 接不通的情况，主要原因是：水电站的水平接地网的焊接不好，经过长 时间腐蚀，造成了接地网的开路。设备的接地引下线与地网之间的连接 焊接不好，造成了与接地网之间的开路口叫。在光照水电站的水电站就存 在设备与接地网之间出现连接问题，共发现2 3 处设备与接地网不通的情 况。锦江水电站由于运行时间超过30 年之久，通过对锦江水电站的接地 体的开挖试验，站内地下接地网的接地体的腐蚀情况非常严重，锈迹斑 斑，有部分接地体已经发生了断裂，在这种情况下，站内接地网已经失 效，并且有可能造成站内跨步电压和设备接触电压过大，并对站内人员 造成危险。通过对几个水电站的调查研究，发现一般水电站主要由以下 几个方面造成的： ( 1 ) 水电站接地网水平接地体的接头处焊接达不到要求，接地体经 过长时间的腐蚀形成电气上的开路。 ( 2 ) 设备的接地引下线在地下与接地网焊接情况不良，焊接头焊口 长度不足，并且大多为点焊，在地下经过长时间的腐蚀，容易从焊口处 形成开路。 ( 4 ) 设备接地引下线的横截面较小，经过长时间的锈蚀，接地体从 地下锈断。 ( 5 ) 部分设备接地引下线与设备的外壳用螺丝连接，经过长时间的 锈蚀，在连接处因为生锈而形成电气上的开路。如某个水电站的开关站 的刀闸与地网不通或回路电阻大就是由于这个原因。 ( 6 ) 有些设备通过混凝土基础或构架进行接地，而这些基础或内部 的钢筋在实施时并没有进行可靠的电气连接和试验，造成接地体电气上 的开路。 4 2 水电站接地网的均压问题 通过对水电站的电位分布测试，发现接地网的均压问题不符合要求， 特别在横向电位分布，跨步电位超标。由于很多水电站的接地网设计时 主要把接地电阻值作为主要指标，而忽略了地网的均压问题，在发生大 的工频短路电流流入地时，高压会向低压反击从而打坏低压控制回路， 3 8 尤其在水电站的开关站部分引，接地网的均压一定要符合安全规程中的 安全值。 在对锦江水电站的测试中，锦江水电站的开关站内由于均压措施不 好，在避雷针附近的跨步电压超过了该水电站安全的跨步电压允许值， 可能会对行人造成伤害。 4 3 接地体的截面不满足短路电流的热稳定要求 水电站的接地体或者接地引下线偏小无法满足电流热稳定的要求， 水电站在发生接地短路时，接地引下线经常被烧熔烧断，并使设备外壳 上有较高的反击电压，造成事故的扩大。一些水电站就是因为电气设备 的接地引下线截面不够1 ，在发生接地短路时高压窜入低压烧坏电气设 备，导致事故的扩大。造成设备接地引下线或接地网满足不了要求，由 以下几种原因造成： ( 1 ) 水电站的接地设计时只考虑接地线截面能够满足当时的接地短 路电流热稳定的要求。而没有在接地线寿命周期内作腐蚀校核。经历了 地下或水中若干年的腐蚀，接地线已经无法满足接地短路电流热稳定的 要求。 ( 2 ) 对接地体问题重视不够。有一些水电站接地网设计没有对接地 短路电流的热稳定校核，而是套图纸，或者为减少投资而选用截面较小 的接地线。 ( 3 ) 不按设计图施工。因为接地工程是隐蔽性工程，一旦施工完毕 就很难检查，所以有的承包商偷工减料。不按照图施工，在工程建设时 就留下了隐患，以至后来发生事故。 4 4 水平接地体的埋深不符合要求 有些水电站的接地网水平接地体的埋深达不到要求，按d l t 5 0 91 19 9 9 水力发电厂接地设计技术导标准中的要求，水平接地体的埋深应该 达到0 6 米以下，通过开挖检查发现许多接地体的埋深不符合要求，由于 水平接地体的埋深不足，会造成以下影响： ( 1 ) 接地电阻受季节气候，尤其受土壤干湿影响比较大，由于表层 土壤比较干燥，所以导致接地装置的接地电阻不稳。 ( 2 ) 由于水电站水平接地体的埋深不够，所以接地网的均压也就 不好，在发生接地短路时的跨步电压也就较大，对巡视人员的安全构成 了威胁。 3 9 ( 3 ) 易发生腐蚀，因上层土壤中的含氧浓度较高，尤其是在水电站 附近，更容易发生吸氧腐蚀，这也是水平接地体容易产生腐蚀的主要原 因。 由于水电站多建在多山地区，部分水电站的接地体在设计施工时， 山体结构在进行施工时难度较大，不易进行水平接地体的铺设，施工单 位没有按照图纸要求进行施工建设，而是施工方偷工接地体埋深没有到 达0 6 m ，甚至有的施工单位将接地体埋深在0 3 m 左右，严重影响了接地 体的接地电阻值阳 。 4 5 工频接地电阻超标 在对水电站的接地电阻改造的过程中，发现水电站的工频接地电阻 超标的主要原因，一是自然原因与设计缺陷，由于水电站的条件限制， 在加上设计方案的不成功，在变电站建成时，水电站的接地电阻就已经 超标，由于水电站周围的土壤电阻率偏高，所以很多水电站在建成之后 对工频接地电阻测量之后都超标。二是后天造成的，比如腐蚀造成的接 地网部分与主接地网连接断开b5 1 ，腐蚀使水平接地体的接地电阻较大。 水电站由自然条件限制，山区的高土壤电阻率，使的水电站的接地 电阻值较大，若在北方平原地带，土壤电阻率为10 0q m 左右，易用铺 设地下接地网将发、变电站的接地电阻值降低到安全的目标值，光照水 电站在建设后，测试得接地电阻值为1 0 2q ，远超水电站安全标准要求 的o 4q ，锦江水电站建成时，它的接地电阻值为o 4 5q ，达到水电站的 接地电阻安全标准，但是经过3 0 年之久的运行，水电站的接地体由于腐 蚀造成了接地体与水电站主网连接断开，以及接地体本身腐蚀严重，水 电站的接地电阻值严重超标引。 4 6 接地网腐蚀问题 随着我国电网容量的增大，短路电流随之增大，有些水电站在当初 设计时接地体的截面偏小，同时接地网腐蚀使得接地体截面减小，接地 网往往未采取防腐蚀措施，腐蚀严重，尤其是接地网的各焊接头，最容 易发生腐蚀，如果其是串接有设备的接地引下线，则会造成若干设备或 设备单元失去接地。当发生事故时，接地体特别是接地引下线不满足热 稳定条件而烧断，从而使得事故扩大。 4 7 接地网的运行维护 对地面的电气设备，规程都规定了明确的大小修周期，即使实行状 态检修，也要定期检查和测试设备的各种性能，如不能满足需要就要及 时的按排大修或小修。但是由于接地装置由于被理在地下，不便于检查， 也很少受到人们的重视，即使试验也仅仅是到期测量工频接地电阻碍， 这样往往就使许多接地装置带故障运行，有时直到事故发生后才为人们 所重视”。 4 1 第五章水电站综合改造措施 水电站良好的接地系统是电力系统安全运行的基础保证，它是防雷 接地、保护接地和工作接地三者的统一体。水电站接地的主要目的是为 了保障水电站能够安全可靠运行，以及保障人身和设备的安全，要确保 人身和设备的安全，维护电力系统的可靠运行，需要改变只强调接地电 阻的传统观念，树立同时考虑地面电位梯度分布所带来的人身和设备危 害。在水电站的安全运行的基础还是接地电阻值的大小，在水电站的许 多事故的发生都与接地电阻过大造成的，许多水电站在建设初期由于本 身问题，接地电阻过大，或者后天性的造成了接地电阻过大，在这种情 况下，就必须要对水电站的接地系统进行新的改造，以此来保证水电站 的安全与稳定。整个接地网的接地体与人体或设备不同的部位可能遭到 的最高过电压之间不存在简单的关系，它们主要与接地网的面积、土壤 特性和流经接地网的电流大小有关3 。在土壤电阻率较高并且接地网面 积很大的情况下，若接地改造设计不合理，在发生接地故障时，地面上 依然可能出现很高的电位梯度，会给工作人员带来危险。接地系统若存 在安全隐患，若电力系统发生接地短路故障或遭受雷击，设备接地点的 电位及地表的局部电位差都会发生异常升高。 5 1 水电站降阻措施 ( 1 ) 扩大水电站接地网的面积 水电站的接地电阻的计