烏弄龍水電站全廠接地系統(tǒng)設(shè)計與施工保證措施

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(shè)管理局，云南 迪慶 674606;2.華北電力大學(xué)，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(dǎo)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(yīng)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(shè)計與施工的復(fù)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(shè)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(shè)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(guān)站，1回接入托巴電站500 kV開關(guān)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(guān)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(guān)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(shè)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(shè)備較多，側(cè)重于均衡電勢，通過分層敷設(shè)接地干線，保證與各設(shè)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(guān)站接地網(wǎng)、壩區(qū)接地網(wǎng)相連。

(2) 開關(guān)站接地網(wǎng)

開關(guān)站區(qū)域設(shè)有500 kV GIS開關(guān)站及出線設(shè)備，設(shè)備較多，建筑物各層均敷設(shè)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(shè)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(dǎo)流洞接地網(wǎng)相連。

(4) 導(dǎo)流洞接地網(wǎng)

導(dǎo)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(yù)留引外接地網(wǎng)

進水口處、尾水處及攔河壩壩后均預(yù)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(shè)計技術(shù)導(dǎo)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(guān)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(shè)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(guān)站區(qū)域巖石電阻率9 062.67 Ω·m，壩址、導(dǎo)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(guān)站、壩區(qū)、導(dǎo)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(guān)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(guān)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(dǎo)流洞接地網(wǎng)接地電阻值，Ω。

3 設(shè)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(yù)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(shè)計計算及取值分析

(1) 分析設(shè)計計算過程可以看出，地下廠房、尾水洞、導(dǎo)流洞、開關(guān)站等部位接地對全廠接地電阻值影響很小；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(shè)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(shè)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(shè)期間有必要了對接地網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)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(guān)鍵在于增加水下接地網(wǎng)敷設(shè)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(dǎo)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(shè)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(dǎo)流洞進口用4條60 mm×8 mm的鍍鋅扁鋼引至導(dǎo)流洞進口啟閉機平臺，與導(dǎo)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(shè)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(shè)計技術(shù)導(dǎo)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(shè)單位與設(shè)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(xué)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(shè)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(dǎo)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(fù)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(dǎo)致電阻率平均取值普遍偏小，致使設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計及運行要求。