陳錦麟，周易龍，潘 歡，童 年，周利兵

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410076)

0 引言

福建沙溪口水電站是閩北電力系統(tǒng)交換的樞紐，采用6回110 kV出線供福建電網(wǎng)。水電站地處山區(qū)，雷電活動(dòng)強(qiáng)烈，嚴(yán)重影響了水電站運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。通過對(duì)其110 kV開關(guān)站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及相關(guān)計(jì)算，發(fā)現(xiàn):開關(guān)站主接地網(wǎng)已嚴(yán)重銹蝕，不能滿足熱穩(wěn)定性及均壓要求，接地電阻超標(biāo)，整個(gè)主接地網(wǎng)存在較大的安全隱患，嚴(yán)重影響設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行;因此，有必要對(duì)其地網(wǎng)進(jìn)行改造。

1 開關(guān)站原接地網(wǎng)存在的問題分析

1.1 接地網(wǎng)嚴(yán)重腐蝕斷裂

該開關(guān)站地網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間已達(dá)27年之久，加之水電站所處的地理位置影響，其接地腐蝕在所難免。在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)原地網(wǎng)開挖檢查，發(fā)現(xiàn):原地網(wǎng)已嚴(yán)重腐蝕，其中設(shè)備接地引下線的腐蝕最為嚴(yán)重，有些地方甚至已經(jīng)出現(xiàn)缺口，造成了電氣上的開路。該開關(guān)站電纜溝內(nèi)接地扁鋼的腐蝕現(xiàn)象也十分普遍，尤其是其焊接頭部分。當(dāng)一些設(shè)備的接地引下線串接有這樣的接地扁鋼時(shí)，就會(huì)造成一些設(shè)備失去接地。對(duì)該開關(guān)站進(jìn)行接地電阻測(cè)試，發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同的電流注入點(diǎn)，所測(cè)出的接地電阻有很大變化，如從開關(guān)站進(jìn)線側(cè)PT接地點(diǎn)注入，測(cè)得接地電阻為1.2 Ω，而從出線側(cè)PT接地點(diǎn)注入時(shí)，接地電阻測(cè)得為1.78 Ω。這說明該接地網(wǎng)已不是一個(gè)整體，而是裂解為幾個(gè)部分。

由此可見，該開關(guān)站的接地網(wǎng)腐蝕斷裂現(xiàn)象嚴(yán)重，已無法滿足相關(guān)電力規(guī)程的要求;因此，需要對(duì)其接地電阻、熱穩(wěn)定性、地網(wǎng)均壓的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步分析校驗(yàn)，以確定合理的改造方案。

1.2 接地電阻超標(biāo)

1.3 不滿足熱穩(wěn)定性的要求

按照我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T621-1997《交流電氣裝置的接地》規(guī)定，根據(jù)熱穩(wěn)定條件，接地線的最小截面應(yīng)符合下式要求:

式中:Sg為熱穩(wěn)定的截面積，mm2;te為短路電流的等效持續(xù)時(shí)間，取1 s;C為接地鋼材料的熱穩(wěn)定系數(shù)，取70;Id為母線最大短路電流，取7 000 A。代入數(shù)值得Sg≥100 mm2。由此可見，該110 kV開關(guān)站接地線的截面積需滿足要求。原有接地網(wǎng)用截面積為100 mm2，但是通過現(xiàn)場(chǎng)開挖地網(wǎng)發(fā)現(xiàn):由于地網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間過久，其主干線大多已嚴(yán)重腐蝕，許多接地線的截面積已不足50 mm2，有的甚至已經(jīng)斷裂失去接地;故原有的接地網(wǎng)已無法滿足電流熱穩(wěn)定性的要求。

1.4 不滿足地網(wǎng)均壓的要求

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該開關(guān)站接地網(wǎng)為長(zhǎng)孔地網(wǎng)，地網(wǎng)干線之間的距離過大，有些地方甚至達(dá)到10 m以上。當(dāng)電流離開接地體在地中散流時(shí)，會(huì)在地面產(chǎn)生較大的電位梯度，且該接地網(wǎng)內(nèi)部銹蝕嚴(yán)重，這都會(huì)造成跨步電壓和接觸電勢(shì)過高，容易對(duì)周圍設(shè)備造成反擊。

通過測(cè)量和計(jì)算，該110 kV開關(guān)站跨步電壓目標(biāo)值為349 V。接觸電勢(shì)目標(biāo)值為216.5 V。

2 改造目標(biāo)

針對(duì)該110 kV開關(guān)站原地網(wǎng)所存在的問題，結(jié)合電力規(guī)程對(duì)接地網(wǎng)的要求，確定了以下改造目標(biāo):

(1)對(duì)開關(guān)站的地網(wǎng)重新鋪設(shè)，并且采取合理地防腐降阻措施，使新地網(wǎng)的使用壽命達(dá)到50年以上，并保證在使用壽命內(nèi)地網(wǎng)滿足電流熱穩(wěn)定性的要求。

(2)采取合理的降阻措施，使該開關(guān)站的接地電阻滿足R≤0.62 Ω的要求。

(3)對(duì)地網(wǎng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使新的地網(wǎng)具有良好的均壓效果，符合跨步電壓和設(shè)備接觸電勢(shì)目標(biāo)值的要求。

3 接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案

新鋪設(shè)的地網(wǎng)需覆蓋該110 kV開關(guān)站的整個(gè)區(qū)域，決定設(shè)計(jì)成6 m×6 m的方孔均壓地網(wǎng)。為了防止地網(wǎng)邊角的尖角效應(yīng)，地網(wǎng)的邊角要設(shè)計(jì)成弧狀。接地體和設(shè)備引下線均采用50×5 mm的鍍鋅扁鋼，垂直接地極采用50*5的角鋼，對(duì)站內(nèi)接地體周圍施加截面尺寸為0.2×0.2 m的GPF-94高效膨潤(rùn)土降阻防腐劑，以防止接地體腐蝕，穩(wěn)定接地參數(shù)。由于跨步電壓是由接地短路電流流過接地裝置時(shí)在地面上形成的分布電位造成的，如果采用完全等間距的均壓網(wǎng)，當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí)，會(huì)造成地網(wǎng)邊緣電勢(shì)高，中間電勢(shì)低。因此，考慮到地網(wǎng)的均壓，在鋪設(shè)6×6 m均壓地網(wǎng)時(shí)，要求從地網(wǎng)邊緣到中部逐漸加大間距，使網(wǎng)孔電勢(shì)趨于一致，保證良好的均壓效果。同時(shí)，為解決開關(guān)站內(nèi)局部沖擊電阻過高的問題，在站內(nèi)避雷線、避雷針和避雷器的接地引下線入地處外圍距離地表約1 m深處鋪設(shè)一內(nèi)外雙層環(huán)狀接地體，內(nèi)外環(huán)裝接地體距離約為5 m，用水平接地體將內(nèi)外環(huán)焊接，再在各連接點(diǎn)處嵌入1根1.2 m的垂直接地極，與水平接地體有效焊接，并對(duì)水平接地體和環(huán)裝接地體施加GPF-94高效膨潤(rùn)土降阻防腐劑。當(dāng)避雷針、避雷器動(dòng)作放電時(shí)，雷電流通過接地裝置泄放入地。該內(nèi)外雙層環(huán)狀水平接地體不僅可有效減小沖擊接地電阻，而且加強(qiáng)了沖擊接地電流的擴(kuò)散，增大了散流面積，使入地點(diǎn)電流能夠更為均勻散流，防止地網(wǎng)局部電位升高。此外，在開關(guān)站內(nèi)行人經(jīng)常出現(xiàn)的地方鋪設(shè)碎石和瀝青，以減少人體的實(shí)際承受的跨步電壓。

3.1 降阻措施的分析

通過現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量和計(jì)算，站內(nèi)的土壤電阻率為250 Ω·m，站內(nèi)地網(wǎng)面積為3 680 mm2，接地電阻R=2.06 Ω，高于接地電阻目標(biāo)值的要求;因此，還需采取其它措施進(jìn)行降阻。目前接地工程主要采取的降阻措施有外延接地、深井接地、施加降阻劑和利用自然接地體等?，F(xiàn)對(duì)該開關(guān)站的降阻措施進(jìn)行分析。

3.1.1 采用外延接地方法

該水電站四面環(huán)山，山上有許多樹木，但是土層均十分稀薄。對(duì)水電站四周的土壤電阻率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示:水電站四周山上的土壤電阻率均在1 500～2 000 Ω·m左右，難以滿足要求;開關(guān)站南500 m處有塊草地，其土壤電阻率在300 Ω·m左右，可以利用做外延。如圖1所示，將外延地網(wǎng)設(shè)計(jì)成長(zhǎng)120 m，寬80 m，內(nèi)部為30×30 m的網(wǎng)孔。從開關(guān)站內(nèi)對(duì)著外延地網(wǎng)鋪設(shè)2條外引接地主線?？紤]到接地體之間的屏蔽效果，將其設(shè)計(jì)為井字形結(jié)構(gòu)，在接地主線上每隔10～15 m布設(shè)一道橫線，在交叉點(diǎn)設(shè)置垂直接地體。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量計(jì)算，該外延接地電阻為1.9 Ω，對(duì)其周圍施加截面為0.2×0.15 m的GPF-94高效膨潤(rùn)土降阻劑后，接地電阻降為1.3 Ω，與站內(nèi)地網(wǎng)并聯(lián)之后，接地電阻可降至0.79 Ω。

圖1 采用外延接地的示意圖Fig.1 Schematic diagram of using epitaxial grounding

3.1.2 深井接地法

使用深井接地降阻法的前提條件是四周存在有地下較深處土壤電阻率較低的地方，比如有金屬礦或者地下水。該水電站地處山地丘陵地區(qū)，地下均為巖石，下層土壤電阻率甚至高于上層，故不適于用深井接地法進(jìn)行降阻。

3.1.3 利用自然接地體

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)一步勘查，發(fā)現(xiàn)在開關(guān)站南面的草地附近有一條附近村民用于灌溉的溝渠。通過測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該溝渠附近的土壤電阻率較低，且溝渠中的水質(zhì)較為渾濁，與外延地網(wǎng)距離也近，適合利用來進(jìn)行自然接地體降阻。如圖2所示，將開關(guān)站地網(wǎng)通過接地主線與外延地網(wǎng)連接之后再與該自然接地體連接，可進(jìn)一步降低接地電阻。在連接過程中，外接地體所遇到一切自然接地體，如水管、道路地基等，均于接地體有效焊接在一起。

3.1.4 施加降阻劑

圖2 利用自然接地體的示意圖Fig.2 Schematic diagram of using natural grounding body

事實(shí)證明，降阻劑在降低發(fā)電廠、變電站接地電阻中的作用是毋庸置疑的。在本次改造中若不使用降阻劑，單純考慮其他降阻措施，是很難把接地電阻降低到目標(biāo)值以下的。

該站所使用的GPF-94高效膨潤(rùn)土降阻劑具有較低的電阻率 (ρ≤0.35 Ω·m)，加水后有較大的膨脹系數(shù)，施加在接地體周圍相當(dāng)于增大了接地體的截面積，消除了接地體與周圍土壤的接地電阻;且其具有較強(qiáng)的吸水性和保水性，可降低接地體周圍的土壤電阻率，對(duì)于山區(qū)和高土壤電阻率地區(qū)的降阻效果最為明顯。

在水平接地體周圍施加GPF-94高效膨潤(rùn)土降阻劑，其具體的實(shí)施方法是如圖3所示。對(duì)于水平接地體，開挖如圖所示的溝槽，首先在溝底鋪入一半降阻劑粉，然后鋪入水平接地體，待接地體焊接完畢后，在上面鋪上另一半降阻劑粉，加水?dāng)嚢杈鶆蚝?，再在上面回填?xì)土并夯實(shí)。若溝寬為a，降阻劑的厚度為b，由于接地電阻的目標(biāo)值較小，低于1 Ω，則a，b值取24～40 cm。對(duì)于垂直接地極，可用鉆井機(jī)在地中垂直鉆直徑10～12 cm的井，豎井鉆好后，插入垂直接地體，將降阻劑粉加水調(diào)成漿，用壓力泵把降阻劑漿壓入深井中。

施加降阻劑之后，其降阻效果可按照下式和表1計(jì)算:

圖3 水平接地體施加降阻劑剖視圖Fig.3 Sectional view of grounding body using resistance-reducing and anticorrosion material

式中:Rg2為施加降阻劑之后的工頻接地電阻，Ω;Rg1為未施加降阻劑之前的工頻接地電阻，Ω;Kf為降阻劑的降阻系數(shù)，其值與降阻劑的施加截面積有關(guān)，可由表1查得;Kp為大接地網(wǎng)的屏蔽系數(shù)，對(duì)于大型接地網(wǎng)，一般取1.2～1.4。

表1 GPF-94降阻劑的降阻系數(shù)和用量Tab.1 GPF-94 resistance-reducing material's coefficient of resistance reduction and dosage

對(duì)站內(nèi)接地體施加截面為0.2×0.2 m的降阻劑，對(duì)外引接地體施加截面為0.2×0.15 m的降阻劑，配合外延接地及自然接地方法，可有效降低接地電阻。

綜上所述，該開關(guān)站接地網(wǎng)改造采用重新鋪設(shè)站內(nèi)地網(wǎng)、向站外草地做外延接地、利用自然接地體和施加GPF-94高效膨潤(rùn)土降阻劑等方法來進(jìn)行降阻。

3.2 防腐措施的分析

該水電站地處東南沿海省份，接地網(wǎng)極易遭受腐蝕;因此，在改造中必須充分考慮到地網(wǎng)腐蝕的問題，選擇性能良好的防腐降阻劑來防止接地體腐蝕。

在本開關(guān)站的地網(wǎng)改造設(shè)計(jì)中，對(duì)站內(nèi)接地體和外引接地體都選用GPF-94高效膨潤(rùn)土防腐降阻劑。它不僅對(duì)接地體有很好的降阻效果，還能起到良好的防腐作用[9，10]。該防腐降阻劑不僅對(duì)鋼接地體具有很好的鈍化作用和陰極保護(hù)作用，能有效地消除吸氫腐蝕和吸氧腐蝕;而且能緊密地包裹在接地體周圍，當(dāng)沖擊大電流流過時(shí)，電火花不在接地體上產(chǎn)生，避免了接地體的電火花腐蝕，對(duì)于普通鋼材，使得其腐蝕率小于0.000 49 mm/a。本次改造站內(nèi)接地體選用50×5 mm鍍鋅扁鋼，外引接地體采用直徑16 mm的圓鋼。保守估計(jì)，該接地網(wǎng)至少可以保證運(yùn)行50年。

3.3 接地網(wǎng)熱穩(wěn)定性校驗(yàn)

根據(jù)式 (1)計(jì)算，該開關(guān)站接地線熱穩(wěn)定最小截面積的目標(biāo)值Sg≥100 mm2。改造后的開關(guān)站站內(nèi)接地體采用50×5 mm鍍鋅扁鋼 (S=250 mm2)，外引接地體采用直徑16 mm的圓鋼 (S=200.96 mm2)，再考慮施加降阻劑的作用，故該地網(wǎng)至少可以保證在50年內(nèi)接地體截面滿足熱穩(wěn)定性的要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

基于上述設(shè)計(jì)對(duì)開關(guān)站地網(wǎng)進(jìn)行了改造?，F(xiàn)通過工頻大電流法進(jìn)行接地電阻、地面電位分布、設(shè)備接觸電勢(shì)試驗(yàn)，以驗(yàn)證改造的效果[11]。

4.1 用工頻大電流法測(cè)量接地電阻

試驗(yàn)接線圖如圖4所示。

圖4 工頻大電流法測(cè)量工頻接地電阻的接線圖Fig.4 Wiring diagram of using big Power frequency current measuring Grounding resistance

地網(wǎng)的連接點(diǎn)為進(jìn)線側(cè)PT的接地引下線。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，其中U12，U14，U24分別表示1，2點(diǎn)，1，4點(diǎn)和2，4點(diǎn)之間的電壓;L13表示1，3點(diǎn)之間的距離。排除零序干擾后，計(jì)算出接地電阻值為0.54 Ω，而該開關(guān)站的接地電阻目標(biāo)值為0.62 Ω。說明通過改造，采取相應(yīng)的降阻措施后，接地電阻值成功地降至目標(biāo)值以下。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表Tab.2 Experimental data record tab

4.2 設(shè)備接觸電勢(shì)試驗(yàn)

對(duì)改造后的開關(guān)站內(nèi)主要設(shè)備的接觸電勢(shì)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 設(shè)備接觸電勢(shì)測(cè)試結(jié)果Tab.3 Test results of contacting voltage of equipment

根據(jù)式計(jì)算，該開關(guān)站的設(shè)備接觸電勢(shì)目標(biāo)值為216.5 V。如表3所示，所測(cè)設(shè)備接觸電勢(shì)均低于目標(biāo)值 216.5[12]。

4.3 電位分布試驗(yàn)

每隔0.8 m測(cè)量一次，所測(cè)得最大的跨步電壓為120.73 V，遠(yuǎn)低于目標(biāo)值349 V。

上述各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果顯示:改造之后的接地電阻、接觸電勢(shì)和跨步電壓均低于目標(biāo)值，可見對(duì)該110 kV開關(guān)站的接地改造是成功的。

5 結(jié)論

計(jì)算和試驗(yàn)的結(jié)果均表明:對(duì)沙溪口水電站110 kV開關(guān)站接地網(wǎng)的改造基本達(dá)到了預(yù)期的效果。通過本次改造設(shè)計(jì)，可得出以下結(jié)論:

(1)在進(jìn)行接地網(wǎng)設(shè)計(jì)之前，一定要深入實(shí)地勘查，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行周密的計(jì)算和校驗(yàn)。

(2)在選擇合適的降阻措施前，要對(duì)周圍地形情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，之后分析各種降阻措施使用的可行性，將各種措施配合使用。在使用的過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行變通。

(3)在接地改造工程中，充分利用自然接地體不僅能夠有效降低接地電阻，而且具有節(jié)省材料、接地電阻穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

(4)在使用外延接地方法時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量利用周圍土壤電阻率低的地方進(jìn)行降阻。

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