馮海超,陸 勝,姜躍東 ,鄭智勇,楊廷方,高海歐
(1.華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司,浙江省安吉 310032;2.長(zhǎng)沙科智防雷工程有限公司,湖南省長(zhǎng)沙市 410005)
天荒坪抽水蓄能電站接地網(wǎng)于1998 年正式投運(yùn)。該抽水蓄能電站的下水庫(kù)接地網(wǎng)為電站的主地網(wǎng)。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行,土壤的腐蝕性造成了多處接地極材料銹蝕[1-4],使得接地網(wǎng)的接地電阻超標(biāo)。經(jīng)測(cè)量,接地電阻高達(dá)1.4Ω,嚴(yán)重地影響了電站運(yùn)行的可靠性,因此有必要對(duì)該電站接地網(wǎng)進(jìn)行改造[5-8]。本文利用CDEGS 軟件,對(duì)該抽水蓄能電站水庫(kù)區(qū)域的地質(zhì)情況擬合分析,構(gòu)建土層模型;然后通進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較和優(yōu)化分析,設(shè)計(jì)出了符合安全標(biāo)準(zhǔn)的水下接地網(wǎng)。
在土壤各個(gè)參數(shù)中,土壤電阻率與接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案及性能息息相關(guān),其大小直接影響到接地網(wǎng)的接地電阻大小。同時(shí),該參數(shù)是否準(zhǔn)確,也直接影響到土壤分層模型的精確構(gòu)建。因此,準(zhǔn)確測(cè)量土壤電阻率,是接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的第一步,也是最重要的一步。本次的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)采用等間距Wenner四極法測(cè)量,如圖1所示,a為極間距離。
在電站下水庫(kù)周邊區(qū)域,通過(guò)改變極間距離a,測(cè)量視在土壤電阻率ρ,測(cè)量結(jié)果如表1所示。
圖1 四極法測(cè)量土壤電阻率原理圖Figure 1 Schematic diagram of soil resistivity measurement by four electrode method
表1 電站下水庫(kù)視在土壤電阻率測(cè)量Table 1 Soil resistivity measurement of power station reservoir
續(xù)表
根據(jù)測(cè)量結(jié)果,利用CDEGS軟件的RESAP模塊對(duì)土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬合和仿真計(jì)算,結(jié)果如圖2(各坐標(biāo)軸采用對(duì)數(shù)顯示)和圖3所示。其中,圖2為CDEGS軟件擬合出來(lái)的下水庫(kù)土壤的分層情況,圖3為CDEGS軟件計(jì)算出來(lái)的下水庫(kù)土壤每層厚度及相應(yīng)的土壤電阻率大小。
圖2 土壤參數(shù)擬合結(jié)果Figure 2 Fitting results of soil parameters
圖3 土層參數(shù)仿真結(jié)果Figure 3 Simulation results of soil parameters
由圖2和圖3可知,該水電站下水庫(kù)區(qū)域土壤為三層土壤結(jié)構(gòu)。其中,第一層土壤厚度為4.1m;土壤電阻率為56.5Ω·m;第二層土壤厚度為73.0m;土壤電阻率為141.4Ω·m。底層土壤電阻率為1009.5Ω·m。另外經(jīng)測(cè)量,下水庫(kù)的水電阻率為220Ω·m。
通過(guò)CDEGS軟件的RESAP模塊,計(jì)算得到各土層的土壤電阻率及厚度后,再在CDEGS軟件中,依照下水庫(kù)的形狀和地貌特點(diǎn),利用MALZ模塊建立下水庫(kù)接地網(wǎng)仿真模型,如圖4所示。
圖4 下水庫(kù)接地網(wǎng)仿真模型Figure 4 Simulation model of grounding grid in power station reservoir
1.3.1 接地電阻仿真計(jì)算
在CDEGS軟件系統(tǒng),通過(guò)不斷地調(diào)整敷設(shè)水底的銅絞線即水平接地體的長(zhǎng)度,來(lái)確定接地電阻是否滿(mǎn)足要求。隨著水平接地體的不斷延長(zhǎng),接地網(wǎng)面積增加,接地電阻會(huì)不斷地下降。當(dāng)水平接地體長(zhǎng)度大約為1km時(shí),測(cè)得接地電阻為0.61Ω。另外,當(dāng)網(wǎng)格由100m×100m變成50m×50m,再變成10m×10m時(shí),接地電阻也下降。經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較,最終的接地網(wǎng)網(wǎng)格確定為10m×10m,且水下水平接地體長(zhǎng)度為1km。經(jīng)計(jì)算,此時(shí)接地網(wǎng)的接地電阻R為0.489Ω,小于設(shè)計(jì)目標(biāo)值0.5Ω,滿(mǎn)足要求。
1.3.2 跨步電壓仿真計(jì)算
通過(guò)軟件CDEGS在地網(wǎng)上注入10kA電流,測(cè)得接地網(wǎng)的最大跨步電壓為461.25V,小于接地網(wǎng)跨步電壓上限值為526.28V,滿(mǎn)足要求。在仿真過(guò)程發(fā)現(xiàn)接地網(wǎng)的網(wǎng)格越小,接地導(dǎo)體越密,跨步電壓就越小,接地電阻也會(huì)下降。但當(dāng)接地體密集到一定程度時(shí),對(duì)接地電阻的變化就不再起作用了。仿真結(jié)果如圖5所示,由圖中可知,接地網(wǎng)邊緣處跨步電壓比較高,但都滿(mǎn)足要求。
1.3.3 接觸電壓仿真計(jì)算
通過(guò)軟件CDEGS測(cè)得接地網(wǎng)的最大接觸電壓為349.56V,小于接觸電壓上限值為375.01V,滿(mǎn)足要求。仿真結(jié)果如圖6所示。
圖5 接地網(wǎng)模型跨步電壓分布圖Figure 5 Step voltage distribution diagram of grounding grid model
圖6 接觸電壓分布圖Figure 6 Touch voltage distribution diagram
該抽水蓄能電站下水庫(kù)呈南北長(zhǎng)、東西窄狀。根據(jù)CDEGS軟件仿真結(jié)果,以及下水庫(kù)的形狀和地形特點(diǎn),得到下水庫(kù)接地網(wǎng)的實(shí)際設(shè)計(jì)方案及布置圖如圖7所示。下水庫(kù)接地網(wǎng)的接地導(dǎo)體主要分為南北線和東西線。南北1~4號(hào)線分別位于左岸330m高程、310m高程、右岸310m高程、330m高程的邊坡上,全長(zhǎng)1.3km。東西1號(hào)線在觀景平臺(tái)旁,并與原有接地網(wǎng)連接導(dǎo)通。東西31號(hào)線在庫(kù)尾。東西1~31號(hào)線每線間隔30m,與南北線形成網(wǎng)格敷設(shè)于整個(gè)下水庫(kù)區(qū)。在下水庫(kù)的地網(wǎng)焊接過(guò)程中,將下水庫(kù)的新增地網(wǎng)與重力拱壩、深孔、溢流孔、導(dǎo)流明渠、進(jìn)水口、開(kāi)關(guān)站、主廠房、尾水洞等地方敷設(shè)的接地導(dǎo)體連接起來(lái)。這樣大大增加了地網(wǎng)的可靠性和面積。
圖 7 下水庫(kù)接地網(wǎng)布置圖Figure 7 Layout of grounding grid of power station reservoir
接地網(wǎng)的施工非常重要,直接關(guān)系到接地網(wǎng)的質(zhì)量。下水庫(kù)接地網(wǎng)的接地銅絞線的固定每間隔2m一個(gè)固定樁。新增接地網(wǎng)的南北1、2號(hào)線在下庫(kù)水位計(jì)室下方與消防水池之間,與原地網(wǎng)的銅絞線分別進(jìn)行了可靠焊接。左、右兩岸的南北向接地線延伸至大壩處合二為一,再一直延伸到大壩下游的深水潭北端淺灘側(cè)。下庫(kù)的接地網(wǎng)網(wǎng)格采用10m×10m的網(wǎng)格,均采用放熱焊接,如圖8所示。經(jīng)計(jì)算,整個(gè)接地網(wǎng)大約5萬(wàn)m2。
在新、老接地網(wǎng)相交處,也進(jìn)行了多處放熱焊接。為了保證每個(gè)焊點(diǎn)焊接質(zhì)量的可靠性,每個(gè)焊點(diǎn)都進(jìn)行了導(dǎo)通電阻測(cè)試,如圖9所示,所有阻值都在20μ Ω以下。
圖9 接地網(wǎng)導(dǎo)通電阻測(cè)試Figure 9 On-resistance test of grounding grid
在接地母線易腐蝕及易機(jī)械損傷區(qū)域,澆筑300mm×300mm導(dǎo)電水泥混凝土進(jìn)行保護(hù)接地母線。為了保證銅絞線穩(wěn)固在水底不被水流沖走,還經(jīng)過(guò)制模、澆筑、定型、養(yǎng)護(hù)后制作了重力錘,如圖10所示。重力錘在下放水底之前,要與接地體進(jìn)行焊接和緊固。
圖10 重力錘制作Figure 10 Gravity hammer manufacture
接地施工完畢后,根據(jù)DL/T 475—2017《接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則》的有關(guān)要求,為了減少干擾,采用遠(yuǎn)離夾角法,進(jìn)行接地網(wǎng)的接地電阻測(cè)量。在測(cè)量方案中,電壓線和電流線的放線路徑如圖11所示。
圖11 電壓線和電流線的放線路徑Figure 11 Placement route of voltage line and current line
經(jīng)測(cè)量,接地網(wǎng)的接地電阻為0.47Ω。按照DL/T 475—2017《接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則》的要求,最終的接地電阻修正值約為0.5Ω,沒(méi)有超過(guò)目標(biāo)值0.5Ω,故接地電阻合格。且接觸電壓、跨步電壓后經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)均合格,故本次接地網(wǎng)改造滿(mǎn)足要求。
本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中,采用CDEGS 軟件的RESAP模塊,精確計(jì)算出了各土層的土壤電阻率及厚度,構(gòu)建了土層模型。然后在CDEGS軟件中,利用MALZ模塊建立下水庫(kù)接地網(wǎng)仿真模型。通過(guò)軟件系統(tǒng),不斷地調(diào)整水平接地體的長(zhǎng)度,來(lái)確定接地電阻大小,并優(yōu)化了網(wǎng)格的大小。經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較,最終確定了接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案,節(jié)約了大量的人力、物力和成本。為大型接地網(wǎng)的改造和設(shè)計(jì)提供了一種思路。