英布魯水電站接地設(shè)計的特點(diǎn)

沈文蘭 許冬語 李建國

1 英布魯水電站接地設(shè)計獨(dú)特的自然條件

英布魯水電站位于剛果河支流萊菲尼河下游巴泰凱高原地區(qū),土壤淺層為風(fēng)化沙層,電阻率相對較低；而深層及河床以下為白堊系、第三系和第四系陸相沉積地層,以砂壤土為主,電阻率比較高?，F(xiàn)場實測的電阻率較高,2005年10月測得萊菲尼河水電阻率平均值1 130 Ω?m,砂壤土電阻率平均值5 460 Ω?m(當(dāng)沙子潮濕時為 2 300 Ω?m), 砂巖電阻率平均值7 600 Ω?m(含水時為 4 800 Ω?m)。接地網(wǎng)所處的是酸性的砂壤土及河水；在2004年6月從萊菲尼河水取樣實測出pH值為5.33,河水中陽離子總含量7.01 mg/L(主要是K+、Na+離子,含量占6.21 mg/L)、陰離子總含量16.61mg/L(主要是HCO3-離子和Cl-離子,分別為13.42 mg/L和3.19 mg/L),游離CO2含量4.07 mg/L。

通常當(dāng)土壤與河水為酸性時所含的離子具有化學(xué)活性和腐蝕性,電阻率比較低。但英布魯情況卻相反:水與土壤的電阻率很高,呈酸性且離子濃度又很低,這在國內(nèi)外是非常少見的。從文獻(xiàn) [1]表1-4可看出:河水電阻率與自然環(huán)境、水溫、水中礦化度有關(guān),當(dāng)水中礦化度在10 mg/L時含溶鹽的水電阻率約500 Ω?m附近,而純凈水的電阻率高達(dá)250 000 Ω?m；中國的河水電阻率在30～600 Ω?m范圍之內(nèi),但礦化度普遍約100 mg/L,河水電阻率多數(shù)為50 Ω?m左右。

分析后認(rèn)為:英布魯?shù)靥師釒в炅?氣候炎熱潮濕,人煙稀少,枯死的植被容易腐敗分解成有機(jī)酸,土壤與河水中富含有酸性游離物質(zhì)；同時當(dāng)?shù)赜炅糠浅３渑?萊菲尼河的水量很豐富,大大地降低了水中的礦化度,使離子濃度被沖得很低,趨近于純凈水,造成其河水電阻率遠(yuǎn)高于我國國內(nèi)河流的河水電阻率。

2 接地設(shè)計原則及接地電阻值的確定

按2020年規(guī)劃英布魯水電站220 kV母線單相接地故障電流為6.5 kA,可推算出流入地網(wǎng)的最大短路電流約為4.88 kA。按照規(guī)程[2]的通常要求,地網(wǎng)電位升高值應(yīng)小于2 000 V,即對應(yīng)于英布魯水電站總接地電阻應(yīng)小于0.41 Ω,但選用該數(shù)值作為控制值過于保守,且很難達(dá)到。

根據(jù)DL/T5091第5.1.3條[2],如按高電阻率地區(qū)的要求,在滿足接觸電位差和跨步電位差等前提下,總接地電阻值可適當(dāng)放寬到5 Ω。考慮到河水相對于砂壤土電阻率低的特性,盡量去擴(kuò)大水中接地網(wǎng)的面積,充分散流；并通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較以及采用各種綜合措施,以獲得既有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比,又具有盡可能小接地電阻的英布魯水電站接地網(wǎng)設(shè)計。

3 接地體材料和截面的選擇

針對英布魯接地網(wǎng)帶來的可能腐蝕問題,應(yīng)重點(diǎn)分析和研究下列情況:

(1)2003年10月現(xiàn)場調(diào)查時發(fā)現(xiàn)了1984年被遺棄在萊菲尼河邊的1只小船,雖經(jīng)近20年日曬、雨淋等自然環(huán)境的侵蝕,并無明顯的銹蝕現(xiàn)象。

(2)中國對鋼接地網(wǎng)有著大量成功的經(jīng)驗,又據(jù)國內(nèi)各地對接地網(wǎng)的大量現(xiàn)場調(diào)查表明:鋼接地體發(fā)生腐蝕最嚴(yán)重的地方是在地表附近；越往地下的深處或水下的深處,腐蝕反而越輕。

(3)水電站內(nèi)混凝土中有大量的鋼管和鋼埋件、鋼筋,假如鄰近采用銅地下接地網(wǎng)的話,鐵銅之間受雜散電流和原電池效應(yīng)的影響大,電化學(xué)作用反而會更加速了鋼件的腐蝕。

(4)如接地體全部采用銅導(dǎo)體,當(dāng)時(2003—2004年)銅材單價曾高達(dá)鍍鋅鋼材單價的10倍左右,全銅接地網(wǎng)的一次性投資較大。

在分析了銅鐵接地體各自利弊的實例以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較之后,選定了以鍍鋅扁鋼為主體的鋼銅混合接地網(wǎng)是比較合理的；再考慮到酸性腐蝕作用,埋在水下和地下的鍍鋅扁鋼厚度選大二級規(guī)格,以抵償自然腐蝕。同時按照剛果 (布)的要求,從有利于防腐考慮,將各電氣設(shè)備接地分支的末端連接線改為銅絞線,而銅鋼接地線的相互連接點(diǎn)采用放熱熔焊的特殊焊接工藝措施。

根據(jù)中國實際經(jīng)驗,在pH值小于6.5的有腐蝕性土壤,扁鋼腐蝕量取0.1～0.2 mm/a[3],電氣設(shè)備和接地導(dǎo)體耐腐蝕計算的使用壽命都按30年考慮。英布魯水電站所在區(qū)域的河水和土壤pH值在5左右,考慮到酸性腐蝕作用,位于水下及開關(guān)站的接地體腐蝕量按0.2 mm/a計算,廠房內(nèi)混凝土表面的接地體腐蝕量按0.1 mm/a計算,30年后的扁鋼剩余最小厚度仍要保證大于6 mm,因此主接地網(wǎng)選用60 mm×12 mm的鍍鋅扁鋼,廠房內(nèi)接地網(wǎng)選用50 mm×10 mm的鍍鋅扁鋼,均能滿足要求。

4 接地網(wǎng)的布置

英布魯總接地網(wǎng)主要分為壩前區(qū)水下接地網(wǎng)尾水區(qū)水下接地網(wǎng)、220 kV開關(guān)站接地網(wǎng)、廠房內(nèi)接地網(wǎng)等4個部分,并充分利用水電站埋在地下、水下及混凝土中的鋼筋和金屬構(gòu)件、軌道、鐵塔基礎(chǔ)等自然接地體。

壩前區(qū)死水位水深24.2 m,水下接地網(wǎng)面積約為11 000 m2；尾水區(qū)死水位水深10 m,水下接地網(wǎng)面積約為11 250 m2。作為垂直接地極的鍍鋅角鋼,布置間隔取20 m并深入到河底內(nèi)部。在河床巖石上鉆孔開保護(hù)溝槽,將接地體放入后焊接構(gòu)成接地網(wǎng),注入水泥砂漿固定。在蓄水前用錨筋或壓上重物將各個接點(diǎn)與河底牢固地拉住,以嚴(yán)防接地網(wǎng)被河水沖壞。

220 kV戶外開關(guān)站的接地主網(wǎng),埋深0.8 m,面積約為10 800 m2；主副廠房接地網(wǎng)以各層面的接地扁鋼為主,相互連接。

為保證設(shè)備及人身安全,在開關(guān)站等重要部位敷設(shè)了均壓網(wǎng),并在220 kV戶外開關(guān)站還鋪了4 cm厚的瀝青混凝土層,以滿足接觸電勢及跨步電勢的計算要求。、

5 接地網(wǎng)的簡化計算以及計算機(jī)數(shù)值分析

英布魯水電站水中和兩岸土壤的各自電阻率相差都比較大,上下游地網(wǎng)埋深也不同,因此受壩區(qū)深層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和散流媒質(zhì)導(dǎo)電特性的影響較大；但沿萊菲尼河流方向的散流作用明顯強(qiáng)于寬度方向,接地網(wǎng)主要是矩形網(wǎng),經(jīng)過計算分析,表明英布魯接地網(wǎng)可以簡化為兩層土壤地網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

運(yùn)用雙層土壤接地的近似計算公式[2、4]進(jìn)行初步計算,得出英布魯水電站接地網(wǎng)總接地電阻約為2.95 Ω,其中:河水電阻率取1 130 Ω?m,河床電阻率取2 300 Ω?m；開關(guān)站接地網(wǎng)按土壤電阻率5 460 Ω?m算出其接地電阻為26.65 Ω；壩前區(qū)接地網(wǎng)查出復(fù)合電阻率公式中的修正系數(shù)為0.23,算出其接地電阻為6.622 Ω；尾水區(qū)接地網(wǎng)查出的修正系數(shù)K值為0.24,算出其接地電阻為6.661 Ω。

由武漢大學(xué)文習(xí)山教授采用計算機(jī)邊界元數(shù)值分析方法,為英布魯水電站接地設(shè)計進(jìn)行復(fù)核并提供技術(shù)支持,對英布魯水電站接地網(wǎng)進(jìn)行了詳細(xì)的接地計算,編制了實用數(shù)學(xué)模型和計算軟件。在對水和土壤導(dǎo)電特性的差異、大壩上下游水位差、土壤深度和寬度方向的分層結(jié)構(gòu)以及河床形狀不規(guī)則特征的分析比較后,經(jīng)簡化建立起比較合理的水平雙層結(jié)構(gòu)物理模型。由此列出了散流媒質(zhì)中電流場的控制微分方程組及其所滿足的邊界條件,由邊界元直接列式,采用以地面為界面的半無限域中拉普拉斯方程的基本解,推導(dǎo)出域內(nèi)積分方程和邊界方程。然后再離散為代數(shù)方程,簡化代數(shù)方程組系數(shù)矩陣,求解代數(shù)方程組,獲得了邊界節(jié)點(diǎn)上的未知量。同時分析驗證了計算模型的合理性和數(shù)值計算結(jié)果的正確性,計算了英布魯水電站接地地網(wǎng)尺寸、埋深對接地體接地電阻的影響,并對材質(zhì)、參數(shù)、跨步電勢和接觸電勢等進(jìn)行分析。對不同面積大小 (23 700～60 000 m2)接地網(wǎng)方案下計算機(jī)算出的接地電阻值在2.39～4 Ω范圍,選定了其中3 Ω左右的接地網(wǎng)方案。

6 接地電阻的現(xiàn)場測量

英布魯水電站主接地網(wǎng)最大對角線的距離約600m,現(xiàn)場采用CDWZ03型大地網(wǎng)接地電阻測試儀進(jìn)行測量,采用平行布線法,電流極距主廠房主接地網(wǎng)約2 600 m,電壓極距主廠房主接地網(wǎng)約1 700 m。分別在進(jìn)水口接地分網(wǎng)、220 kV開關(guān)站、主副廠房取5個點(diǎn)進(jìn)行了11次測試,測得的電阻值誤差在1%～3%之間,取平均值2.4 Ω。從目前英布魯水電站的接地電阻測試結(jié)果和運(yùn)行情況表明,接地設(shè)計取得了較好的效果,通過了業(yè)主及咨詢公司的驗收。

7 結(jié) 語

(1)英布魯水電站雖然水與土壤的電阻率都非常高,但在保證接地網(wǎng)有足夠大面積的前提下,采取以擴(kuò)大水下接地網(wǎng)面積為主的綜合接地措施,能明顯減小總接地電阻數(shù)值。

(2)為節(jié)省投資、延長使用壽命、減輕酸性腐蝕,水電站采用了以鍍鋅扁鋼為主的鋼銅混合接地網(wǎng),用放熱焊接特殊工藝連接鋼銅,主接地體選用了60 mm×12 mm鍍鋅扁鋼。

(3)對接地網(wǎng)進(jìn)行了初步簡化計算,并經(jīng)武漢大學(xué)計算機(jī)數(shù)值計算的復(fù)核和分析,近似公式與計算機(jī)兩種計算方法所得出的接地電阻值很接近,水電站總接地電阻值均在3 Ω左右,能滿足規(guī)范所允許的高電阻率地區(qū)接地電阻值小于5 Ω的要求。

(4)英布魯水電站現(xiàn)場實測的工頻接地電阻平均值為2.4 Ω,實測結(jié)果略小于計算值。

[1] 曾永林.接地技術(shù)[M].北京:水利水電出版社,1979.

[2] DL/T5091—1999,水利發(fā)電廠接地設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則[S].

[3] 李景祿.實用電力接地技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2002.

[4] 水電站和電設(shè)計手冊編寫組.水電站機(jī)電設(shè)計手冊[M].北京:水利水電出版社,1982.