劉興勝，王 超，張 晗，蘭 宇，李長耘

(1.華能瀾滄江水電股份有限公司烏弄龍里底水電工程建設管理局，云南 迪慶 674606;2.華北電力大學，北京 102206)

0 前 言

隨著電力系統(tǒng)電壓等級的升高、電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大導致系統(tǒng)短路容量不斷增加，流經(jīng)水電站接地裝置的最大入地電流值不斷升高；另外因計算機監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護系統(tǒng)的普遍應用，對其所處接地系統(tǒng)的電位差限制要求越來越高[1]。瀾滄江流域地處高山峽谷，土壤電阻率偏高。由于電站接地系統(tǒng)設計與施工的復雜性，流域投產(chǎn)的電站接地施工完成后，最終測試結(jié)果達不到設計要求的情況時有出現(xiàn)，給電站投產(chǎn)初期帶來較大運行風險。一旦電站接地電阻不滿足要求，則接地系統(tǒng)改造投入增加且實施起來困難。烏弄龍水電站在可研階段即對全廠接地系統(tǒng)進行了詳細設計，在施工過程中加強接地系統(tǒng)施工質(zhì)量管控，最終接地電阻測試一次合格，滿足了電站安全運行需求，避免了改造風險，也節(jié)省了改造投資。

1 電站概況及接地系統(tǒng)布置

烏弄龍水電站為瀾滄江上游河段規(guī)劃7個梯級中的第2級電站，上鄰古水電站，下接里底水電站。電站安裝4臺單機額定容量247.5 MW的立軸混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量990 MW。電站采用500 kV一級電壓接入系統(tǒng)，出線2回，1回接入里底電站500 kV開關站，1回接入托巴電站500 kV開關站。發(fā)電機—變壓器組合方式采用聯(lián)合單元接線，以兩回500 kV XLPE電纜經(jīng)出線豎井引出至地面500 kV開關站。550 kV GIS由地下550 kV GIS聯(lián)合單元進線間隔和地面500 kV開關站兩部分組成。500 kV側(cè)接線采用四角形接線。

烏龍弄水電站工程接地網(wǎng)設計由以下幾個部分構(gòu)成：

(1) 地下洞群接地網(wǎng)

地下洞群包括地下廠房、引水隧洞、尾水洞及各類交通洞等，位于大壩右岸。廠房內(nèi)設備較多，側(cè)重于均衡電勢，通過分層敷設接地干線，保證與各設備的可靠連接，同時實現(xiàn)功能性接地、保護性接地及電磁兼容性接地。該區(qū)域接地網(wǎng)與開關站接地網(wǎng)、壩區(qū)接地網(wǎng)相連。

(2) 開關站接地網(wǎng)

開關站區(qū)域設有500 kV GIS開關站及出線設備，設備較多，建筑物各層均敷設接地網(wǎng)，并與壩區(qū)接地網(wǎng)、地下洞室群接地網(wǎng)連接，以保證設備及人員安全。

(3) 壩區(qū)接地網(wǎng)

壩區(qū)接地網(wǎng)含壩頂接地網(wǎng)、壩內(nèi)廊道接地網(wǎng)、壩前水下接地網(wǎng)、消力池接地網(wǎng)，與地下洞室群接地網(wǎng)、導流洞接地網(wǎng)相連。

(4) 導流洞接地網(wǎng)

導流洞采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，暗敷接地干線，并與壩區(qū)接地網(wǎng)連接。

(5) 預留引外接地網(wǎng)

進水口處、尾水處及攔河壩壩后均預留有接地抽頭，以便需要時與引外接地網(wǎng)連接。

本站接地網(wǎng)總面積約為120 000 m2，發(fā)電后約有100 000 m2的接地網(wǎng)位于河水中。接地網(wǎng)主接地體采用60 mm×8 mm的扁鋼。

2 全廠接地系統(tǒng)接地電阻計算及分析

根據(jù)短路電流計算結(jié)果，烏弄龍水電站最大入地短路電流為3.573 kA。根據(jù)NB/T 35050-2015《水力發(fā)電廠接地設計技術(shù)導則》，計算出烏弄龍水電站接地網(wǎng)按地電位升高2 kV時的接地電阻允許值0.56 Ω；接觸電位差允許值2 608.09 V；跨步電位差允許值9 921.38 V。

從計算結(jié)果分析，電站按按地電位升高2 kV時的接地電阻允許值為0.56 Ω并不高。然而烏弄龍水電站為地下廠房，其散流區(qū)域面積不大，廠房區(qū)域巖石平均電阻率4 681.67 Ω·m，開關站區(qū)域巖石平均電阻率高達9 062.67 Ω·m，散流接地網(wǎng)的布置存在困難。

(1) 電阻率取值

設計對烏弄龍水電站土壤、巖石、河水電阻率進行取樣測試。根據(jù)測試成果，河水電阻率為48.1 Ω·m。計算中取各類巖石的平均值，廠房區(qū)域巖石電阻率4 681.67 Ω·m，開關站區(qū)域巖石電阻率9 062.67 Ω·m，壩址、導流洞區(qū)域巖石電阻率4 224.67 Ω·m，壩前河床區(qū)域巖石電阻率275.5 Ω·m，混凝土電阻率在水中和在干土中分別取值為50 Ω·m、1 000 Ω·m。

(2) 電站接地電阻計算

電站全廠接地電阻計算分廠房、引水系統(tǒng)、尾水、開關站、壩區(qū)、導流洞幾個部位分別計算。計算結(jié)果如表1。

表1 不同部位接地電阻計算值表

根據(jù)下面公式(1)結(jié)合有效利用系數(shù)，電站接地網(wǎng)總接地電阻計算值蓄水前為0.405 Ω，蓄水后為0.294 Ω。500 kV 開關站室內(nèi)計算接觸電位差為111.35 V，小于允許值2 608.09 V；跨步電位差29.41 V，小于跨步電位差允許值9 921.38 V。

(1)

式中：R∑為總接地電阻值，Ω；R1為廠房接地網(wǎng)接地電阻值，Ω；R2為引水系統(tǒng)接地網(wǎng)接地電阻值，Ω；R3為尾水洞接地網(wǎng)接地電阻值，Ω；R4為開關站接地網(wǎng)接地電阻值，Ω；R5為壩區(qū)接地網(wǎng)接地電阻值，Ω；R6為導流洞接地網(wǎng)接地電阻值，Ω。

3 設計成果分析

3.1 烏弄龍水電站樞紐布置分析

烏弄龍水電站地處瀾滄江上游狹長河谷，屬于狹窄的高山峽谷地形，無論從上下游及兩岸地形來看，樞紐接地網(wǎng)布置均較為困難。雖然進水口、尾水及攔河壩壩后均預留有接地抽頭，以備接地網(wǎng)的擴大，但受地形限制，補充接地網(wǎng)的實際實施難度很大。

3.2 設計計算及取值分析

(1) 分析設計計算過程可以看出，地下廠房、尾水洞、導流洞、開關站等部位接地對全廠接地電阻值影響很??；兩岸邊坡接地網(wǎng)因地處巖石區(qū)域，自身接地電阻很大，對全廠接地電阻值影響微乎其微。真正能對全廠接地電阻值影響起決定作用的是壩區(qū)水下接地網(wǎng)和引水隧洞進水口水下接地網(wǎng)。

(2) 受施工手段及布置的限制，烏弄龍水電站地質(zhì)巖石取樣樣本數(shù)量總體偏少，各種巖石電阻率均取用平均值，取值偏小。

烏弄龍水電站全廠接地電阻雖然設計階段的計算可以滿足電站安全運行要求，但通過分析可知，蓄水后全廠接地電阻測試值很難達到設計理想值，這在流域其它梯級水電站也多次得到了印證。因此，在電站建設期間有必要了對接地網(wǎng)系統(tǒng)設計及施工進行優(yōu)化。

4 優(yōu)化措施

4.1 利用水下接地網(wǎng)

通過分析可以看出，電站接地網(wǎng)的分布范圍較廣，周圍有很多水體存在，要想降低全廠接地電阻值，關鍵在于增加水下接地網(wǎng)敷設面積，利用低電阻率的水體來布置接地網(wǎng)以降低接地電阻[2]。從樞紐布置和電站地形分析，下游河段由于地形狹窄，水流沖擊太大，不適于水下接地網(wǎng)布置。上游圍堰與壩體區(qū)間范圍較為開闊，電站蓄水后庫區(qū)水流平緩，接地網(wǎng)不易被破壞[3]，且這部分接地網(wǎng)可以就近與大壩接地和進水口接地直接相連，向?qū)Я鞫催M口方向延伸后可以與原導流洞接地體相連，可在壩前形成面積約7 000 m2補充水下接地網(wǎng)，因此，這片區(qū)域是天然的水下接地網(wǎng)布置首選之地。

4.2 增設壩前水下接地網(wǎng)

在區(qū)域內(nèi)采用60 mm×8 mm的熱鍍鋅扁鋼間隔20 m成網(wǎng)格狀布置水平接地網(wǎng)。考慮到鋼管比角鋼制成的接地體散流效果好[4]，所以采用每個節(jié)點打入深2 m的?80 mm鍍鋅鋼管垂直接地樁可靠焊接增加散流[5]，并起到固定作用，以1～2 m厚的渣土覆蓋整個接地網(wǎng)。在大壩左右側(cè)分別用3條60 mm×8 mm的鍍鋅扁鋼與壩體接地相連，在電站進水口用4條60 mm×8 mm的鍍鋅扁鋼與進水口接地多點連接，在導流洞進口用4條60 mm×8 mm的鍍鋅扁鋼引至導流洞進口啟閉機平臺，與導流洞接地體多點連接成整體。補充接地網(wǎng)布置詳見圖1。

圖1 補充接地網(wǎng)布置圖 單位：m

該部分接地網(wǎng)鋪設面積約為7 000 m2。蓄水后上層取河水電阻率48.1 Ω·m，下層取水中混凝土電阻率50 Ω·m；主接地扁鋼為60 mm×8 mm接地體。根據(jù)公式(2)計算得出補充接地網(wǎng)接地電阻為0.289 Ω，根據(jù)公式(3)計算得蓄水后全廠接地系統(tǒng)接地電阻為0.183 Ω。

(2)

式中：R7為壩前水下補充接地網(wǎng)接地電阻值，Ω；K為系數(shù)，根據(jù)NB/T 35050-2015《水力發(fā)電廠接地設計技術(shù)導則》取K為0.15；ρu為上層電阻率,Ω·m；ρl為下層電阻率,Ω·m；S∑為接地網(wǎng)總面積,m2。

(3)

4.3 嚴把接地施工質(zhì)量

在水電站工程施工中，接地系統(tǒng)施工部位分散，與土建施工相互干擾大，接地安裝普遍不被重視，存在實施過程質(zhì)量控制隨意性大，對焊接工藝要求不高等通病。針對這些問題，建設單位與設計單位聯(lián)合制訂了接地系統(tǒng)標準施工圖冊，加強過程管理，保證按圖施工，重點增強接地網(wǎng)區(qū)域間的接地連接，確保接地系統(tǒng)的連接整體性等。

5 結(jié) 語

烏弄龍水電站接地系統(tǒng)施工完成、工程蓄水后于2018年11月由云南電力科學研究院對接地網(wǎng)參數(shù)進行了測試，接地阻抗實測值為0.4185 Ω；接觸電位差最大實測值為13.80 V；跨步電位差最大實測值為11.80 V；接地網(wǎng)的接地完整性測試結(jié)論合格。從最終測試結(jié)果看，烏弄龍水電站接地電阻實測值大于設計值，小于允許值，電阻接觸電位差、跨步電位差均滿足DL/T 475-2017《接地裝置工頻特性參數(shù)的測量導則》接觸電位差不超過85 V、跨步電位差不超過80 V的要求。通過測試結(jié)果還可發(fā)現(xiàn)，測試值與理論計算值偏差較大，規(guī)律與前期分析結(jié)果吻合。

由于瀾滄江流域水電工程大多地處高山峽谷，地形復雜，工程前期勘測條件較差，勘測工作受條件所限，土壤、巖石、水體取樣樣本數(shù)量往往偏少，真實代表性不足，導致電阻率平均取值普遍偏小，致使設計計算值較小。另外，隨著工程的不斷推進，與前期可研階段比較，設計在技施階段會對工程局部進行適當調(diào)整優(yōu)化，從而使得全廠接地網(wǎng)有所改變，最終施工成果與最初可研設計不盡相同。因此，根據(jù)實際情況，在技施階段優(yōu)化烏弄龍水電站全廠接地設計及調(diào)整施工是必要的，保證了全廠接地系統(tǒng)施工最終一次性滿足設計及運行要求。