黑麋峰抽水蓄能電站接地系統分析及改造方案研究

0 引言

抽水蓄能電站通常處于山嶺地區，地質條件上存在高電阻率巖層且場區范圍廣，廠房往往采用地下式布置，并與地面開關站及上下水庫相連，導致接地網呈分散多區域分布。系統發生故障時，土壤電阻率高及接地網絡長距離連接易造成地電位升（GPR）過大，并可能引發局部接觸電壓或跨步電壓超標的安全隱患[1]。同時，中壓系統（如 6～10kV） 中無間隙金屬氧化物避雷器對地電位升較敏感，如接地網設計不當，可能導致避雷器在故障時反擊或誤動作[2]。因此，加強對抽水蓄能電站接地系統的綜合分析與優化改造勢在必行。

傳統的接地網設計主要依據經驗公式或較簡化的均勻土壤模型，難以準確反映分層土壤和水體電阻率對接地性能的影響。隨著計算機仿真技術的成熟，CDEGS等商用軟件可對大型、分散接地網進行精確的電場-電路耦合分析，為工程設計提供了科學依據。本文基于黑麋峰抽水蓄能電站的土壤和水體實測數據，結合CDEGS仿真，提出并對比多種改造方案（如水平擴網、深井接地、水下接地、降阻材料及組合方案）。通過對方案在安全性、經濟性和施工可行性方面的評估，力求為高土壤電阻率地區的抽水蓄能電站接地系統改造提供可供借鑒的思路。

1土壤與水體電阻率測量

1.1土壤電阻率測量

接地系統的設計基礎在于準確掌握場址土壤的電阻率分布1]。實際工程中，土壤電阻率會因成分、含水率、密實度及地質構造等因素而呈現顯著的水平與垂向差異。

目前，最常用的現場測試方法是四極法（Wenner或Schlumberger等變型），其核心原理是在直線上布設四個探針：外側電極負責通電，內側電極測量電位差，再依據電流與電壓讀數推算“視在電阻率”。通過調節探針間距，可探查不同深度土層；將多次測量的視在電阻率數據進行反演，可獲得較為準確的分層王攘電阻率分布。原理圖如圖1所示。

此外，地質電法測深與四極法原理相似，但采用更大極距和專業地球物理測量設備，探查深度可達數十米乃至更深，常用于評估電站樞紐區大范圍、深層土壤或基巖電阻率，為大型接地工程或巖土評價提供更系統的地質依據。

在實際操作中，測線布設應盡量避開地下金屬管線、軌道或圍欄等干擾因素，以提升測量準確度[3]，同時需做好設備校準與環境排查，確保最終反演結果能夠真實反映目標場地的土壤電阻率特性。

1.2 水體電阻率測量

抽水蓄能電站擁有下水庫或其他天然水域，如水體電阻率遠低于土壤，則可視為天然低阻接地電極，對降低整體接地阻抗十分有利[3-4]。

在實際工程中，水體電阻率通常通過測量水體電導率再利用下式進行換算來獲得。

式中： ρ 為水體電阻率； σ 為水體電導率。

為確保測量精度，應在可能布設水下接地網的水庫或其他水域采集水樣，同時盡量避開漂浮物及泥沙濃度高的水層。測量時宜使用具備溫度補償功能的電導率儀，測試前須用去離子水或純水清洗電極，以減少雜質干擾。

1.3 等效建模方法

基于分層土壤的精細建模可利用多層或復合模型，但若層數較多且范圍大，則計算量巨大。為兼顧精度與效率，可采用以下等效策略：

1）將主要差異顯著的若干層（如高阻巖層、低阻黏土層）保留在模型中；2）以加權平均或數值迭代方法，將一些細小層合并到“等效均勻層\"中；3）對于水體區域，設置一層導電介質（電阻率取實測值，厚度約等于水深），與相鄰土層銜接；4通過CDEGS的土壤反演工具（RESAP）擬合土壤分層參數并驗證計算結果與現場實測值一致[5]。

這樣可在保證接地阻抗和地表電位分布模擬精度的前提下，降低對計算資源的需求。

2 已有接地系統分析

抽水蓄能電站的接地系統一般由多塊子接地網構成：主廠房接地網、地面開關站接地網、上下水庫敷設的水下接地裝置等，通過埋地或架空導體互相連接[3]。每個子接地網的材料和規模有所不同，但都共同承擔將故障電流散流入地的任務。

利用前述土壤/水體分層模型和現有接地網幾何布置，在CDEGS中建立仿真模型。經調整大范圍土壤等效電阻率，使仿真得到的全場接地阻抗與實測值一致，使得模型符合現狀。將電站最大單相接地電流故障電流注入，計算得到地電位升（GPR，將此值與 10kV 無間隙避雷器的安全上限（通常約 6kV^[2]， ）對比。

此外，需關注地表電位分布圖顯示廠房、開關站周邊在故障時的跨步/接觸電壓，可能由于土壤整體電阻率偏高、分散連接較長，難以將接地電阻降至理想水平，也無法保證關鍵區域電位足夠均勻。

3 接地改造方案設計

3.1 改造目標與優化原則

抽水蓄能電站接地系統改造的主要目標如下：

1）由于我國 10kV 系統為中性點不接地系統，地電位升無法通過變壓器中性點耦合到母線上，接地網地電位升過高可能會反擊到 10kV 無間隙金屬氧化物避雷器上。而無間隙金屬氧化物避雷器額定電壓的選取通常是根據系統的最大工頻過電壓來確定，一般不會考慮到地電位升的問題。這樣，當地網GPR過高導致反擊到 10kV 無間隙金屬氧化物避雷器兩端的電壓超過其工頻耐受電壓時就有可能發生避雷器爆炸事故。

接地網電位升高時對 10kV 無間隙金屬氧化物避雷器的反擊可以通過圖2所示的模型進行分析。

接地網的電位升 U_g 加在無間隙金屬氧化物避雷器端子對接地網間的電容 C_B 和線路對地電容 C_L 的串聯回路上。由于 C_L?C_B ，所以認為全部的地電位升都將作用在 C_B 上，也就是無間隙金屬氧化物避雷器上。因此，應將工頻接地阻抗降至較低水平，故障地電位升保持在 4kV 或以下，以顯著降低避雷器反擊概率。

2將跨步電壓和接觸電壓控制在安全標準內（如GB/T50065—2011、NB/T35050—2023等規定[13]）：

式中： U_t 為接觸電位差充許值； U_s 為跨步電位差充許值； C_s 為表層衰減系數； ρ_s 為地表層電阻率； ρ_b 為底層土壤電阻率； h_s 為表層土壤厚度； χ_t 為接地故障電流持續時間。

3）增強季節穩定性，使接地性能在干旱或寒冷季節保持穩定。

4施工設計兼顧現場地理條件與經濟性，充分利用已有空間和資源，避免過度占地或施工量驟增。

5確保改造后網內電位差可控，避免廠房、開關站、上下水庫區等相互之間電位差過大造成轉移電位風險[3]，同時還需注意二次設備工頻絕緣耐壓值。根據課題組試驗結果，各設備工頻耐壓強度如表1所示。

由表1可知，在各種設備中，微機保護裝置的絕緣耐受電壓是最低的，為 2kV 左右，所以微機保護裝置的工頻耐壓特性對于確定電站接地網的安全設計原則將起決定性作用，設計時應嚴格控制接地網的網內電位差，使地電位升對其的反擊過電壓不超過2kV。

基于上述目標，優化原則包括：擴大接地散流面積、降低周圍土壤電阻率（如運用降阻材料或深井接地）、合理利用低阻水體以及增強各子網的連接冗余度[4]。

3.2 不同接地改造方案概述

針對抽水蓄能電站的高土壤電阻率特征，本文提出并概括了五種典型的降阻技術路徑。

1）水平擴網：在現有接地網上增設水平敷設的扁鋼或鋼絞線，并與原網可靠焊接，形成更大覆蓋面積。適合土壤電阻率中等的敞亮場地，施工成本相對較低。

2）深井接地：在高阻巖區打深井穿透至低阻含水層或黏土層，埋入長效垂直接地極，顯著降低接地電阻，但施工設備要求高、一次投入相對較大[]。

3）水下接地：將接地導體敷設于電站下水庫最低水位線以下。因水體電阻率明顯低于土壤，可有效分流并降低GPR[4]。需注意水位變化及水下施工的安全性和可維護性。

4降阻材料：在局部高阻區或已有電站改造中，通過埋設電解離子接地極、化學降阻劑或接地模塊，改變電極周圍土攘的導電特性。優點是占地小、無須大規模開挖，但材料價格相對更貴。

5）混合方案：聯合以上多種技術手段，既擴大面積，又降低介質電阻率，并打通深層低阻層。此組合通常在綜合效果上優于單一技術，但投資最高，設計與施工更復雜[4]。

3.3 方案的經濟性與施工可行性

綜合比較各方案的投資、施工周期及使用壽命可知：水平擴網成本低、施工簡單，但對場地空間和土質要求較高；深井接地可在高阻巖區顯著降阻，但施工周期長、單井費用高；水下接地適用于擁有穩定水庫的場景，降阻幅度可觀，但需配合機組檢修等工期并保障水下施工安全4；降阻材料施工便捷，是局部補強的有效途徑；混合方案雖然初投資最高，但可實現更大幅度降阻并保持長效穩定。因此，工程上往往在經濟、技術與可施工性三者之間進行權衡，結合當地地質和水文條件進行多方案比選，并可能通過“分步實施，逐步驗證\"的方式減小風險。

3.4 CDEGS仿真建模及參數設定

在設計完成初步方案后，可在CDEGS中分別建立各自對應的接地模型，對各種改造方案分別進行定量評價。具體做法如下：

1）統一土壤模型：采用經測量與反演得到的多層或等效分層參數，如果考慮設立水庫水網，則需外加水庫水體模型，需結合抽水工況下的水庫水深及實測水電阻率建模。

2）修改接地網：在原有網絡基礎上分別增加“水平擴網”，添加“深井垂直接地極”，納入“水下網格\"或\"局部降阻極\"等。

3）工況設定：注入最大單相故障電流，計算工頻穩態接地阻抗和地表電位分布（包括跨步、接觸電壓），以及網內最大電位差。

4結果對比：統計各方案GPR、接觸電壓、跨步電壓、網內電位差等指標的數值，并評估其安全裕度、施工的可行性以及潛在經濟成本。

為更貼近實際，若考慮水位季節變化、土壤干濕度波動，可在CDEGS中對水體厚度或土壤電阻率作多組模擬，評估其敏感性與長期性能[4]。

4接地性能優化及對比分析

利用CDEGS的多場景仿真，對接地阻抗、接觸電壓、跨步電壓、故障電位升等重要參數進行對比。對包含水下接地網的改造方案，需注意最低水位時仍可確保電極浸沒；若電站或水庫施工導致水位長期顯著降低，水下接地的降阻效益會削弱[4，6]。

此外，土壤電阻率的季節性和長期變化也不容忽視：雨季土壤含水率升高可強化接地效果，旱季則相反；若大量使用降阻材料，土壤濕度會較為穩定，從而對季節敏感性較低。深井電極由于在深層濕土或水層，季節波動影響更小[6]。

長期來看，埋地導體的腐蝕及降阻材料的衰減均可能使接地電阻緩慢上升，需建立定期測試和維護機制。

總體而言，組合多種技術手段的混合方案在安全性與穩定性方面可取得最佳綜合效益：既擴大了水平覆蓋面，也利用深層或水下低阻介質，并可在高阻巖區適度施加降阻劑，兼顧了降阻效果與可靠性[4]。

5 安全性校核

接地系統改造完成后，需重點驗證以下安全指標：

1跨步電壓、接觸電壓：根據GB/T50065標準，對故障持續時間與人員體重進行假設，獲得允許接觸/跨步電壓限值。在CDEGS仿真輸出中，各關鍵區域（廠房、開關站、生活區）的最大跨步與接觸電壓均不超過限值。

2）網內電位差：多區域接地網易產生分區電位差，可能危及二次設備或通信線路。

3） 10kV 避雷器反擊：當GPR過高（如 gt;6kV， 0時，無間隙避雷器可能出現反擊。可將GPR降至 4kV 甚至以下，從而避免避雷器遭受過電壓而誤動作。

4）場外環境影響：故障電流注入大地后會在周邊形成一定電位分布，仿真表明，數十米外電壓已衰減至安全水平，可滿足“站外不危及公眾\"原則。若有金屬管道或通信電纜穿越電站區域，需加絕緣段防止電位轉移。

6 結論與建議

1抽水蓄能電站普遍面臨高阻巖層與分散式接地布局帶來的接地難題，通過現場測量土壤與水體電阻率并建立分層模型，可利用CDEGS評估既有系統接地阻抗和地電位分布。

2為降低故障時地電位升、增強季節穩定性并保障人員和設備安全，本文提出并對比了五種典型改造技術：水平擴網、深井接地、水下接地、降阻材料和多技術并用的混合方案。

3）不同方案在施工可行性與經濟性上存在差異：水平擴網成本低但效果受限；深井接地適合高阻巖區但施工復雜；水下接地需配合水位管理；降阻材料施工靈活，易局部改造；混合方案一次性投入較高，長期效益最佳。

4建議實際工程中結合土壤電阻率特征和施工條件，優先利用現有天然條件（如水庫），適度采取深井電極或降阻材料，并加強地網連接冗余度。對于大型或關鍵電站可考慮分步實施混合方案。最后需建立長期監測與維護計劃，以應對金屬腐蝕、土壤環境變化等因素，確保接地系統始終保持良好的安全裕度。

5隨著新型長效降阻材料、在線監測系統等技術發展，抽水蓄能電站接地系統設計將更加精細化與智能化。本文研究的思路與方法不僅適用于本項目，也可為其他高阻地區的抽水蓄能電站接地優化提供參考。

[參考文獻]

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