大型水电站接地技术探讨.pdf

Water Power Vol 37 No 3 水 力 发 电2011 年 3 月 大型水电站接地技术探讨 周伟宁 广西地凯防雷工程有限公司 广西 南宁530003 摘要 在高土壤电阻率地区的大型水电站上 下游区域内实施大面积接地网沉江技术 并在两岸列阵布设电解地 极 用电解地极产生的电解质 降低大面积地网外一定范围内的土壤电阻率 从而改变地网所处的土壤地质环境 降低地网的接地电阻 经实践证明 在平均土壤电阻率1 500 5 000 m的岩石山区 采用扩大接地网面积 地网 沉江 及降低地网四周一定范围内的土壤电阻率 使用电解地极 技术可以将接地电阻值降至0 19 以下 满足设 计要求 关键词 高土壤电阻率 接地电阻 沉江技术 电解地极 Study on the Grounding Technology of Large scale Hydropower Station Zhou Weining Guangxi Dikai Lightning Protection Engineering Co Ltd Nanning 530003 Guangxi China Abstract By burying large area grounding grids in upper reservoir and lower river of the hydropower station and laying electrolytic grounding conductor on the banks of reservoir and river to decrease the soil resistivity of certain range outside the grounding grid by using generated electrolyte the grounding resistance of large scale hydropower stations located in high soil resistivity areas can be decreased The practices show that in the mountain area with an average grounding resistance of 1 500 5 000 m increasing thearea of burying large area grounding grid and laying electrolytic grounding conductor can decrease the grounding resistance to not more than 0 19 The treatment meets the requirements of design Key Words high soil resistivity grounding resistance technology of burying grounding grid in river electrolytic grounding conductor 中图分类号 TM54文献标识码 B文章编号 0559 9342 2011 03 0050 03 收稿日期 2010 11 20 作者简介 周伟宁 1974 男 广西柳州人 高级工程师 从 事防雷技术及大型接地工程技术研究 大型水电站一般建在河流水位落差较大的山区 地形复杂 地势险峻 可用来安装接地网的面积少 且土壤接地电阻率普遍较高 如何使电站区域内的 土壤接地电阻率满足设计要求是必须解决的问题 本文以小湾水电站接地网的建设为例 对大型水电 站接地技术作一探讨 1小湾水电站接地网概况 小湾水电站坝址范围内基岩为花岗片麻岩 表 土主要为坡积层碎石质土壤和砂土壤 表层较干燥 颗粒较粗 土壤电阻率较高 经实测 电站所处河 段河水平均电阻率为42 m 进水口两岸10 m范 围内土壤电阻率实测值为160 350 m 开关站土 壤电阻率为600 m 两岸水平距离50 m范围内 土壤电阻率实测值为1 500 5 000 m 小湾水电站现有接地网主要由坝区 水坝 厂 房等 接地网 厂房洞室接地网 开关楼接地网 地面控制楼接地网及左岸泄洪洞接地网组成 现 有库区接地网面积约150 000 m2 接地电阻值为 0 985 依据设计要求 小湾水电站联合接地网接地电 阻值要求不大于0 19 根据接地面积S 0 25 2 R2 计算 当要求接地网接地电阻值不大于0 19 时 取开关站土壤电阻率为600 m 故障短路电流入 地点 则小湾水电站的实际需要的接 地面积为 2 493 074 79 m2 根据现场的实际情况 电站周边 不能提供足够大的面积进行接地网施工 因此 在 尽可能扩大接地网面积的同时 如采用水下沉江地 网 还应结合采用降低土壤电阻率的办法 以满足 接地电阻设计要求 第 37 卷第 3 期 2011 年 3 月 50 Water Power Vol 37 No 3 水 力 发 电第 37 卷第 3 期 2地网设计依据 参照GB50169 2006 电气装置安装工程接地 装置施工及验收规范 3 2 10中 在高土壤电阻率 地区 接地装置的接地电阻很难达到要求时 采用 外扩接地网 敷设水下接地网 或电解离子接地极 等措施来降低接地电阻 为使水电站接地装置的接 地电阻长期处于一种稳定 低阻的良好状态 结合 本水电站的土壤 环境等情况 采用新增敷设水下 接地网 水电站上下游两岸人工开挖地沟敷设接 地体 列阵埋设电解离子接地极 DK AG电解地 极 的方式使小湾水电站的整个接地网电阻满足设 计要求 3地网改造方案及效果 小湾水电站接地网由上 下游敷设水下沉江地 网 两岸敷设水平接地体并列阵布设电解地极组成 库区接地网沉江后地网侧视图如图1所示 3 1水电站上 下游新增接地网接地体 上游库区水下采用沉江方法新增接地网 材料 为截面积185 mm2铜包钢绞线 上游岸边采用开挖 方法新增接地体 材料为 80 8热镀锌扁钢和L80 8 1 000热镀锌角钢 在接地体上外延连接DK AG 电解地极作为降阻设备 下游河床岸边采用开挖方 法新增接地体 河床水下敷设接地体 材料为 80 8热镀锌扁钢和L80 8 1 000热镀锌角钢 80 8的热镀锌扁钢截面积是185 mm2铜包钢 绞线的3 4倍 在库区两岸敷设 80 8的热镀锌扁 钢作为纵向接地引出线 由于扁钢在水体沉江时施 工难度很大 故选用导电性能好 抗腐蚀性能优于 热镀锌扁钢的185 mm2铜包钢绞线作沉江接地体的 材料 扁钢 铜包钢绞线在导电率较好的水体中组 成地网 可满足设计的要求 3 2地网改造效果分析 3 2 1新增接地网接地电阻的计算 小湾水电站库区水体电阻率 水 42 m 土 600 m 河床纵向新增接地体长度L 1 500 m 网 格长l 100 m 因 水 土 l L 所以地网内的水 体可看成是一个完整的导电接地体 新增接地网网 格设计是合理的 根据DL T 621 交流电气装置的接地 任意形 接地网接地电阻R的计算公式为 R R1 3ln L1 S姨 0 姨姨 2 S姨 L1 R1 0 213 S姨 1 r 2 L ln S 9hd 5 姨姨 r r 1 1 4 6h S姨 式中 为任意形接地网的形状修正系数 R1为等 值 即等面积 等接地体总长度 正方形接地网的 接地网的接地电阻 L1为接地网边缘总长 L1 8 400 m S为接地网的总面积 S 120万m2 为 土壤电阻率 600 m L为水平接地极 线 的总长 L 42 880 m h为水平接地极 线 的平 均埋设深度 h 30 m d为水平接地极 线 等效 直径 本工程水平接地极 线 采用185 mm2铜包钢 绞 线 等效直径 取值d 0 015 m h按30 m计 算 则 0 771 r 0 889 R1 0 236 即R R1 0 182 计算结果表明 新增接地网完工后 与坝区原 连接并考虑屏蔽系数 整个库区联合接地网的接地 电阻可降到0 19 以下 满足设计要求 3 2 2新增接地网接地电阻的余量计算 上述结果为当土壤接地电阻率为 600 m时 的计算结果 当蓄水至1 240 m高程后 上述公式 中平均接地网深度h将大于50 m 则R 0 178 即在土壤电阻率600 m的情况下 得出新增接地 网接地电阻值R600 0 178 3 2 3库区土壤电阻率的计算 现有库区接地面积S 150 000 m2 原有地网接 地电阻值R 0 985 由于整个库区的接地网在库 区水体及地下厂房的连接下已经形成一个立体纵深 的接地体 可等效为一个半球面积为150 000 m2的接 地半球 则半球半径r为 r S 姨 219 m 又根据半 球接地体公式 R 2 r 得库区土壤电阻率 2 rR 1 354 m 即水电站库区平均土壤电阻率 为1 354 m 为使该地区的高电阻率降至电阻率600 m以 下 以确保新增接地网的接地电阻值R 0 19 我们采用在该地区范围内布设电解地极的方法 降 图1小湾水电站库区接地网沉江后地网侧视示意 周伟宁 大型水电站接地技术探讨 51 Water Power Vol 37 No 3 水 力 发 电2011 年 3 月 上接第49页 座环的碟形边处设置垫层时 混凝土 承担的内水压力相对减少 该处混凝土很薄 内水 压力主要由钢衬承担 明显提高了钢衬的承载比 进一步加大了钢衬与座环连接处的应力集中程度 所以考虑在此处留出10 范围不铺设垫层 由计算 可知上碟形边钢衬的应力值可减小近20 由于在 未设垫层的10 范围内混凝土需要承担很大的内水 压力 故建议加强该处的配筋 参考文献 1 董毓新 李彦硕 水电站建筑物结构分析 M 大连 大连理工大 学出版社 1995 2 董毓新 鲁一晖 马震岳 钢衬和钢筋混凝土联合承载蜗壳结 构分析 J 大连理工大学学报 1995 35 3 389 394 3 练继健 王海军 秦亮 水电站厂房结构研究 J 北京 中国 水利水电出版社 2007 4 付洪霞 马震岳 董毓新 水电站蜗壳垫层结构研究 J 水利 学报 2003 6 85 88 5 伍鹤皋 蒋逵超 申艳 等 直埋式蜗壳三维非线性有限元静 力计算 J 水利学报 2006 37 11 1323 1328 6 张运良 马震岳 王洋 等 混凝土开裂对巨型水电站主厂房 动力的影响 J 水利学报 2008 39 8 982 987 责任编辑焦雪梅 低土壤电阻率 3 2 4电解地极数量分析 埋入地下的DK AG电解地极为准63 mm铜管 管上有呼吸孔 管中的电解质吸收土壤水份后从孔 中排出 这些溶液在特殊回填土的作用下 均匀流 入土壤 在土壤中形成成片导电良好的电解质离子 土壤 特别是在石头上和土壤少的地区 电解液可 向石山纵深方向渗透 沿岩石缝隙渗透 使原来导 电率极差的地质结构 形成了一个良好的电解质导 电通道 大大的降低原土壤中的接地土壤电阻率 DK AG电解地极施工简单 占地面积少 有效期可 长达30年以上 电解地极数量的计算公式 N 0 08 k R 1 R 2 R20 式中 N为电解地极套数 R为要求接地电阻值 0 19 为土壤电阻率 R0为 1 354 m时的接地 电阻值 k为电解地极效应系数 200 m时 k 取3 200 500 m时 k取4 500 1 000 m时 k取4 5 1 000 m时 k取5 按照小湾水电站地网的特性以及电解地极的地 网施工经验和实验参数 当水电站库区土壤电阻率 平均值取 1 354 m时 根据任意形接地网接地 电阻的计算公式可得出R0 0 4 同时取k 5 则本工程DK AG电解地极套数为 N 0 08 k R 1 R 2 R20 88 即 新增接地网增加DK AG电解地极88套 全站的接地工频接地电阻满足设计要求值 4结果及校验 工程竣工后 由设计施工总包方 建设单位 监理单位及验收单位共同验收 接地电阻R 0 1 833 满足设计要求 坝区接地网 厂房洞室接地网 开关楼接地网 地面控制楼接地网及左岸泄洪洞接 地网之间的导通测试满足要求 经计算 开关站跨 步电压及接触电势满足设计要求 接地体的热稳定 满足最大故障电流要求 5结语 通过对多个大型水电站地网改造工程实践表明 在水电站上 下游实施大面积水下接地网沉江技术 并在两岸列阵布设电解地极的办法 用电解地极产 生的电解质 降低大面积地网外一定范围内的土壤 电阻率 改变了地网所处的土壤地质环境 降低了 地网的接地电阻 使接地电阻值满足设计要求 当水电站所处河流