高電阻率地區水電站接地系統改造淺論

2017-06-23 09:38:01鄭賢宇

四川水力發電 2017年3期

鄭賢宇

(成都鴻策工程咨詢有限公司，四川成都 610072)

高電阻率地區水電站接地系統改造淺論

鄭賢宇

(成都鴻策工程咨詢有限公司，四川成都 610072)

為了確保人身及設備在正常和事故情況下的安全，電氣設備需要進行保護接地和工作接地，此外還要為導泄雷電流應裝設過電壓保護接地。不同短路電流系統對接地電阻有著不同的要求，但往往高電阻率地區早期投運的電站由于接地系統的老化，實測電阻率不能達到要求，是否對接地系統進行改造？要根據具體情況而定。隨著水電站“無人值班”少人值守運行模式的普及，甚至是遠程控制的實施，對水電站運行的安全性也提出了更高的要求。

水電站；接地系統；高電阻率；誤區；改造

0 引言

水電站多建在高山峽谷之間，有的電站廠址位于巖石地基之上，電阻率較高達到5 000～20 000Ω.m。接地效果較差，工程設計大多采用接地電阻劑降低接地電阻值，或是采用引外接地方式，實測電阻勉強達到要求，電站投入運行。但隨著電站運行時間加長，一些上個世紀八、九十年代甚至更早的電站接地系統老化、腐蝕接地電阻值增加，影響到電站安全可靠的運行，對電站接地系統是否應進行改造，實測電阻值下能否安全可靠運行應進行全面的論證和研究，不能盲目的投資改造，造成資金浪費。

1 水電站接地系統的基本要求

水電站的接地裝置應安全可靠，經濟合理。為此，一般規定有如下幾點要求：

(1)為保證人身和設備的安全，電力設備宜接地或接零。交流電力設備的接地，應充分利用自然接地體。水電站自然接地體的接地電阻符合要求時，可只敷設以水平接地體為主的人工均壓接地網。

(2)不同用途和不用電壓的電力設備，除另有規定者和獨立避雷針、避雷線外，應使用一個總的接地體，接地電阻應符合其中最小值的要求。接地電阻，應考慮土壤干燥或凍結等季節變化的影響，一年四季中均應符合要求，但防雷裝置的接地電阻可只考慮在雷季中土壤的干燥狀態的影響。

(3)水電站通信設備的接地，應和電力設備的接地使用一個總的接地體。

(4)在水電站接地網內的中性點直接接地的低壓電力網中，低壓電力設備的機座或是金屬外殼與接地網可靠連接后，允許不按接零保護的要求作短路驗算。

(5)水電站接地裝置應構成均衡電位接地系統。在大接地短路電流系統中，當電網發生單相接地或同點兩相接地故障時，產生的接觸電位差和跨步電勢差不應超過下列數值：

小接地短路電流系統中，在發生接地短路時，如果不是立即切除故障，其接觸電勢和跨步電勢不應超過下列數值：

Ej=50+0.05ρbEk=50+0.2ρb

2 早期投運水電站接地系統現狀

大多數水電站建設在山區河流的峽谷地區，位處堅固的巖石基礎上。接地一方面受到地形的限制，另一方面由于地電阻率極高，因而造成了相當大的困難，加之早期投運水電站接地大多采用40×5截面較小的鍍鋅扁鋼，經過長期運行，銹蝕、腐蝕嚴重，有的已經斷裂，影響整體接地效果。尤其是在旱季土壤干燥，電阻率增高，導致接地電阻值增大，影響全廠接地效果，對設備和人身的安全造成威脅。

3 高電阻率接地系統改造的誤區

鑒于部分高電阻率早期建設水電站接地系統面臨的現狀，業主大多請設計單位對接地系統的現狀進行專項研究，論證接地系統改造的必要性。筆者經過調查研究發現，一些設計人員存在著盲目地以實測接地電阻值與規程規范要求的接地電阻允許值進行比較來作為接地系統能否保證設備及人身安全運行的標準，而忽略了高土壤地區在對可能將接地網的高電位引向廠、所外，或將低電位引向廠、所內的設施，應采取隔離接地電位措施。考慮短路電流非周期分量的影響，并且當接地網電位升高時，在發電廠、變電所內的3～10kV閥型避雷器不應動作的情況下，經過驗算接觸電勢和跨步電勢如果能達到要求可暫不改造，為項目業主節約資金。下面以華能太平驛電站接地系統為實例進行具體論述。

4 太平驛水電站接地系統改造復核方案

太平驛電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣境內的長江一級支流岷江干流上，電站采用低閘引水式開發，主要任務為發電。電站裝機260 MW， 1991年7月1日，電站主體工程開工，至1996年3月，電站全部竣工投產發電。“5·12”地震后，電站受到一定影響，通過局部修復處理后，目前電站處于正常運行狀態。

該電站為地下廠房，廠區的巖石電阻率非常高，且為大接地短路電流系統，電站的保護接地和工作接地共用一套接地系統，因廠區和壩區距離較遠，故廠區和壩區分為兩個獨立的接地系統。電站原接地系統在主廠房、主變壓器洞、10 kV配電裝置洞、尾水洞、排風洞、220 kV和110 kV開關站輔設人工接地網以及在河灘布置引外垂直接地井，主網采用40×5鍍鋅扁鋼。全廠接地系統經過20多年的運行，銹蝕、腐蝕嚴重，加之 “5·12”地震的破壞，整個接地系統效果受到影響，通過檢測測得接地電阻R=0.918 Ω，未滿足R≤0.5 Ω的要求。根據收資和現場調查，該電站將接地網的高電位引向廠、所外，或將低電位引向廠、所內的設施，采取隔離接地電位措施，但考慮短路電流非周期分量的影響，并且當接地網電位升高時，發電廠、變電所內的3～10 kV閥型避雷器不應動作，滿足要求。鑒于此種情況，接地系統是否需要改造，應結合新的電力系統參數計算短路電流后，復核接觸電勢和跨步電勢是否滿足要求，并校核接地裝置的熱穩定容量。

4.1 接觸電勢的校核

4.1.1 接觸電位差允許值

在大接地短路電流系統中，當電網發生單相接地或同點兩相接地故障時，產生的接觸電位差和跨步電位差不應超過下列數值：

根據實測加權平均電阻率ρb為620Ωm，t為主保護動作時間加相應的斷路器全分閘時間0.085s。

t為主保護動作時間加相應的斷路器全分閘時間對220kV母差保護動作t1=7ms，線路保護動作t1=26ms，主變壓器差動t1=60ms；分閘t2=20ms，保護出口繼電器t3=5ms，取大者故總t=t1+t2+t3=60+20+5=85ms。

4.1.2 接觸電位差計算值

在發生接地短路時，接地網地表面的最大接觸電位差Ejm=KjEw

當均壓帶為不等間距離布置時，Kj= KjhKjnKjdKjsKjmKjL

Kj= KjhKjnKjdKjsKjmKjL=0.05

EW=IR

計算用入地短路電流取當在廠、所內或外發生單相接地短路時的較大電流值I=3 472A，太平驛電站測得開關站接地阻抗R=0.918Ω。

Ejm=KjEw= KjIR=159.36(V)

由以上計算結果159.36V<958.33V，故接觸電勢滿足要求。

4.2 跨步電勢的校核

4.2.1 跨步電位差允許值

t為主保護動作時間加相應的斷路器全分閘時間為0.085s。

4.2.2 跨步電位差計算值

在發生接地短路時，接地網外地表面的最大跨步電位差Ekm=KkEw

當均壓帶為不等間距離布置時，Kk=KkhKknKkdKksKkmKkL

Kk=KkhKknKkdKksKkmKkL=0.048

Ekm=KkEw=KkIR=152.99 V

由以上計算結果152.99 V<2 085.42 V，故跨步電勢滿足要求。

4.3 接地裝置的熱穩定容量計算

太平驛電站所有接地線材料采用扁鋼，且最小接地扁鋼為敷設在電纜溝壁的40×5規格。

根據熱穩定條件，接地線材料為鋼、銅或鋁材的最小截面應按

Sjd=200mm>56.12mm，因此太平驛電站接地線材料滿足熱穩定容量計算。

4.4 結論及建議

由以上計算結果可知太平驛電站，接地線材料熱穩定容量、接觸電勢、跨步電勢均滿足要求。雖然因該電站所處區域接地電阻達不到0.5Ω，但驗算接觸電位差、跨步電位差滿足允許值，可不進行大規模的接地系統改造。但建議采取一些簡單經濟的措施如輔設局部均壓帶、瀝青路面等。該電站運行期間，應定期對接地電阻進行測量，并對接地均壓網的接觸電位差、跨步電位差進行實測。