黑麋峰抽水蓄能电站接地系统分析及改造方案研究

0引言

抽水蓄能电站通常处于山岭地区,地质条件上存在高电阻率岩层且场区范围广,厂房往往采用地下式布置,并与地面开关站及上下水库相连,导致接地网呈分散多区域分布。系统发生故障时,土壤电阻率高及接地网络长距离连接易造成地电位升(GPR)过大,并可能引发局部接触电压或跨步电压超标的安全隐患^[1]。同时,中压系统(如6~10 kv)中无间隙金属氧化物避雷器对地电位升较敏感,如接地网设计不当,可能导致避雷器在故障时反击或误动作^[2]。因此,加强对抽水蓄能电站接地系统的综合分析与优化改造势在必行。

传统的接地网设计主要依据经验公式或较简化的均匀土壤模型,难以准确反映分层土壤和水体电阻率对接地性能的影响。随着计算机仿真技术的成熟,CDEGS等商用软件可对大型、分散接地网进行精确的电场—电路耦合分析,为工程设计提供了科学依据。本文基于黑麋峰抽水蓄能电站的土壤和水体实测数据,结合CDEGS仿真,提出并对比多种改造方案(如水平扩网、深井接地、水下接地、降阻材料及组合方案)。通过对方案在安全性、经济性和施工可行性方面的评估,力求为高土壤电阻率地区的抽水蓄能电站接地系统改造提供可供借鉴的思路。

1土壤与水体电阻率测量

1.1 土壤电阻率测量

接地系统的设计基础在于准确掌握场址土壤的电阻率分布^[1]。实际工程中,土壤电阻率会因成分、含水率、密实度及地质构造等因素而呈现显著的水平与垂向差异。

目前,最常用的现场测试方法是四极法(wenner或Schlumberger等变型),其核心原理是在直线上布设四个探针:外侧电极负责通电,内侧电极测量电位差,再依据电流与电压读数推算“视在电阻率”。通过调节探针间距,可探查不同深度土层;将多次测量的视在电阻率数据进行反演,可获得较为准确的分层土壤电阻率分布。原理图如图1所示。

此外,地质电法测深与四极法原理相似,但采用更大极距和专业地球物理测量设备,探查深度可达数十米乃至更深,常用于评估电站枢纽区大范围、深层土壤或基岩电阻率,为大型接地工程或岩土评价提供更系统的地质依据。

在实际操作中,测线布设应尽量避开地下金属管线、轨道或围栏等干扰因素,以提升测量准确度^[3],同时需做好设备校准与环境排查,确保最终反演结果能够真实反映目标场地的土壤电阻率特性。

1.2水体电阻率测量

抽水蓄能电站拥有下水库或其他天然水域,如水体电阻率远低于土壤,则可视为天然低阻接地电极,对降低整体接地阻抗十分有利^[3—4]。

在实际工程中,水体电阻率通常通过测量水体电导率再利用下式进行换算来获得。

式中:P为水体电阻率;σ为水体电导率。

为确保测量精度,应在可能布设水下接地网的水库或其他水域采集水样,同时尽量避开漂浮物及泥沙浓度高的水层。测量时宜使用具备温度补偿功能的电导率仪,测试前须用去离子水或纯水清洗电极,以减少杂质干扰。

1.3等效建模方法

基于分层土壤的精细建模可利用多层或复合模型,但若层数较多且范围大,则计算量巨大。为兼顾精度与效率,可采用以下等效策略:

1)将主要差异显著的若干层(如高阻岩层、低阻黏土层)保留在模型中;

2)以加权平均或数值迭代方法,将一些细小层合并到“等效均匀层”中;

3)对于水体区域,设置一层导电介质(电阻率取实测值,厚度约等于水深),与相邻土层衔接;

4)通过CDEGS的土壤反演工具(RESAP)拟合土壤分层参数并验证计算结果与现场实测值一致^[5]。

这样可在保证接地阻抗和地表电位分布模拟精度的前提下,降低对计算资源的需求。

2 已有接地系统分析

抽水蓄能电站的接地系统一般由多块子接地网构成:主厂房接地网、地面开关站接地网、上下水库敷设的水下接地装置等,通过埋地或架空导体互相连接^[3]。每个子接地网的材料和规模有所不同,但都共同承担将故障电流散流入地的任务。

利用前述土壤/水体分层模型和现有接地网几何布置,在CDEGS中建立仿真模型。经调整大范围土壤等效电阻率,使仿真得到的全场接地阻抗与实测值一致,使得模型符合现状。将电站最大单相接地电流故障电流注入,计算得到地电位升(GPR),将此值与10 kv无间隙避雷器的安全上限(通常约6 kv^[2])对比。

此外,需关注地表电位分布图显示厂房、开关站周边在故障时的跨步/接触电压,可能由于土壤整体电阻率偏高、分散连接较长,难以将接地电阻降至理想水平,也无法保证关键区域电位足够均匀。

3接地改造方案设计

3.1 改造目标与优化原则

抽水蓄能电站接地系统改造的主要目标如下:

1)由于我国10 kv系统为中性点不接地系统,地电位升无法通过变压器中性点耦合到母线上,接地网地电位升过高可能会反击到10 kv无间隙金属氧化物避雷器上。而无间隙金属氧化物避雷器额定电压的选取通常是根据系统的最大工频过电压来确定,一般不会考虑到地电位升的问题。这样,当地网GPR过高导致反击到10 kv无间隙金属氧化物避雷器两端的电压超过其工频耐受电压时就有可能发生避雷器爆炸事故。

接地网电位升高时对10 kv无间隙金属氧化物避雷器的反击可以通过图2所示的模型进行分析。

接地网的电位升ug加在无间隙金属氧化物避雷器端子对接地网间的电容CB和线路对地电容CL的串联回路上。由于CL≥CB,所以认为全部的地电位升都将作用在CB上,也就是无间隙金属氧化物避雷器上。因此,应将工频接地阻抗降至较低水平,故障地电位升保持在4 kv或以下,以显著降低避雷器反击概率。

2)将跨步电压和接触电压控制在安全标准内(如GB/T50065—2011、NB/T35050—2023等规定^[1,3]):

式中:Ut为接触电位差允许值;US为跨步电位差允许值;CS为表层衰减系数;PS为地表层电阻率;PB为底层土壤电阻率;hS为表层土壤厚度;t为接地故障电流持续时间。

3)增强季节稳定性,使接地性能在干旱或寒冷季节保持稳定。

4)施工设计兼顾现场地理条件与经济性,充分利用已有空间和资源,避免过度占地或施工量骤增。

5)确保改造后网内电位差可控,避免厂房、开关站、上下水库区等相互之间电位差过大造成转移电位风险^[3],同时还需注意二次设备工频绝缘耐压值。根据课题组试验结果,各设备工频耐压强度如表1所示。

由表1可知,在各种设备中,微机保护装置的绝缘耐受电压是最低的,为2 kv左右,所以微机保护装置的工频耐压特性对于确定电站接地网的安全设计原则将起决定性作用,设计时应严格控制接地网的网内电位差,使地电位升对其的反击过电压不超过2 kv。

基于上述目标,优化原则包括:扩大接地散流面积、降低周围土壤电阻率(如运用降阻材料或深井接地)、合理利用低阻水体以及增强各子网的连接冗余度^[4]。

3.2 不同接地改造方案概述

针对抽水蓄能电站的高土壤电阻率特征,本文提出并概括了五种典型的降阻技术路径。

1)水平扩网:在现有接地网上增设水平敷设的扁钢或钢绞线,并与原网可靠焊接,形成更大覆盖面积。适合土壤电阻率中等的敞亮场地,施工成本相对较低。

2)深井接地:在高阻岩区打深井穿透至低阻含水层或黏土层,埋入长效垂直接地极,显著降低接地电阻,但施工设备要求高、一次投入相对较大^[6]。

3)水下接地:将接地导体敷设于电站下水库最低水位线以下。因水体电阻率明显低于土壤,可有效分流并降低GPR^[4]。需注意水位变化及水下施工的安全性和可维护性。

4)降阻材料:在局部高阻区或已有电站改造中,通过埋设电解离子接地极、化学降阻剂或接地模块,改变电极周围土壤的导电特性。优点是占地小、无须大规模开挖,但材料价格相对更贵。

5)混合方案:联合以上多种技术手段,既扩大面积,又降低介质电阻率,并打通深层低阻层。此组合通常在综合效果上优于单一技术,但投资最高,设计与施工更复杂^[4]。

3.3 方案的经济性与施工可行性

综合比较各方案的投资、施工周期及使用寿命可知:水平扩网成本低、施工简单,但对场地空间和土质要求较高;深井接地可在高阻岩区显著降阻,但施工周期长、单井费用高;水下接地适用于拥有稳定水库的场景,降阻幅度可观,但需配合机组检修等工期并保障水下施工安全^[4];降阻材料施工便捷,是局部补强的有效途径;混合方案虽然初投资最高,但可实现更大幅度降阻并保持长效稳定。因此,工程上往往在经济、技术与可施工性三者之间进行权衡,结合当地地质和水文条件进行多方案比选,并可能通过“分步实施,逐步验证”的方式减小风险。

3.4CDEGS仿真建模及参数设定

在设计完成初步方案后,可在CDEGS中分别建立各自对应的接地模型,对各种改造方案分别进行定量评价。具体做法如下:

1)统一土壤模型:采用经测量与反演得到的多层或等效分层参数,如果考虑设立水库水网,则需外加水库水体模型,需结合抽水工况下的水库水深及实测水电阻率建模。

2)修改接地网:在原有网络基础上分别增加“水平扩网”,添加“深井垂直接地极”,纳入“水下网格”或“局部降阻极”等。

3)工况设定:注入最大单相故障电流,计算工频稳态接地阻抗和地表电位分布(包括跨步、接触电压),以及网内最大电位差。

4)结果对比:统计各方案GPR、接触电压、跨步电压、网内电位差等指标的数值,并评估其安全裕度、施工的可行性以及潜在经济成本。

为更贴近实际,若考虑水位季节变化、土壤干湿度波动,可在CDEGS中对水体厚度或土壤电阻率作多组模拟,评估其敏感性与长期性能^[4]。

4接地性能优化及对比分析

利用CDEGS的多场景仿真,对接地阻抗、接触电压、跨步电压、故障电位升等重要参数进行对比。对包含水下接地网的改造方案,需注意最低水位时仍可确保电极浸没;若电站或水库施工导致水位长期显著降低,水下接地的降阻效益会削弱^[4,6]。

此外,土壤电阻率的季节性和长期变化也不容忽视:雨季土壤含水率升高可强化接地效果,旱季则相反;若大量使用降阻材料,土壤湿度会较为稳定,从而对季节敏感性较低。深井电极由于在深层湿土或水层,季节波动影响更小^[6]。

长期来看,埋地导体的腐蚀及降阻材料的衰减均可能使接地电阻缓慢上升,需建立定期测试和维护机制。

总体而言,组合多种技术手段的混合方案在安全性与稳定性方面可取得最佳综合效益:既扩大了水平覆盖面,也利用深层或水下低阻介质,并可在高阻岩区适度施加降阻剂,兼顾了降阻效果与可靠性^[4]。

5 安全性校核

接地系统改造完成后,需重点验证以下安全指标:

1)跨步电压、接触电压:根据GB/T 50065标准,对故障持续时间与人员体重进行假设,获得允许接触/跨步电压限值^[7]。在CDEGS仿真输出中,各关键区域(厂房、开关站、生活区)的最大跨步与接触电压均不超过限值。

2)网内电位差:多区域接地网易产生分区电位差,可能危及二次设备或通信线路。

3)10kV避雷器反击:当GPR过高(如>6kV)时,无间隙避雷器可能出现反击^[2]。可将GPR降至4kV甚至以下,从而避免避雷器遭受过电压而误动作。

4)场外环境影响:故障电流注入大地后会在周边形成一定电位分布,仿真表明,数十米外电压已衰减至安全水平,可满足“站外不危及公众”原则^[7]。若有金属管道或通信电缆穿越电站区域,需加绝缘段防止电位转移。

6结论与建议

1)抽水蓄能电站普遍面临高阻岩层与分散式接地布局带来的接地难题,通过现场测量土壤与水体电阻率并建立分层模型,可利用CDEGS评估既有系统接地阻抗和地电位分布。

2)为降低故障时地电位升、增强季节稳定性并保障人员和设备安全,本文提出并对比了五种典型改造技术:水平扩网、深井接地、水下接地、降阻材料和多技术并用的混合方案。

3)不同方案在施工可行性与经济性上存在差异:水平扩网成本低但效果受限;深井接地适合高阻岩区但施工复杂;水下接地需配合水位管理;降阻材料施工灵活,易局部改造;混合方案一次性投入较高,长期效益最佳。

4)建议实际工程中结合土壤电阻率特征和施工条件,优先利用现有天然条件(如水库),适度采取深井电极或降阻材料,并加强地网连接冗余度。对于大型或关键电站可考虑分步实施混合方案。最后需建立长期监测与维护计划,以应对金属腐蚀、土壤环境变化等因素,确保接地系统始终保持良好的安全裕度。

5)随着新型长效降阻材料、在线监测系统等技术发展,抽水蓄能电站接地系统设计将更加精细化与智能化。本文研究的思路与方法不仅适用于本项目,也可为其他高阻地区的抽水蓄能电站接地优化提供参考。

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《机电信息》2025年第14期第3篇