阳山县水利水电勘测设计室 广东阳山 513100
摘要：为保障水电站的安全稳定运行，文章根据笔者基层工作实践，结合实际案例，针对水电站接地装置存在的问题，对该水电站的接地网进行了综合改造，经CDEGS软件仿真验证了其可行性以及有效性，同时总结了改造过程中应着重注意的问题，可供参考。
关键词：接地网；改造设计；接地极材料；CDEGS软件
水电站在国民经济中发挥着重要的不可替代作用，水电站能否做到安全、可靠、经济运行，主要依靠变电站的科学及精细化管理。下面，针对某水电站原有接地网存在问题，进行水电站出线场接地装置的优化改造研究设计。
1.工程概况
某水电站220kV出线场的原接地装置，采用正方形10m×10m的网格。接地极材料为直径为16mm的铜。原出线场地网面积为200m×280m。接地体埋深为1m，水电站出线场的土壤电阻率ρ=500Ω•m，最大入地短路电流I=9.0KA，短路的故障时间t=0.06S，地网的接地电阻最近一次测得R=0.9Ω。出线场接地电阻超标，将对其接地装置进行改造，并对扁钢和铜两种不同的接地极材料进行方案比较，选取性价比最优方案作为最终方案。
2.地网存在的问题
根据NB/T35050-2015《水力发电厂接地设计技术导则》4.1.1的要求，有效接地系统的水力发电厂接地装置的接地电阻宜符合下式：
（1）
式中：R——考虑到季节变化的最大接地电阻（Ω）；I——计算用的流经接地装置的入地短路电流（A，有效值）。该电站最大入地短路电流I=9.0kA，故按照（1）式，该电站接地装置的接地电阻要符合
。而电站的接地电阻为R=0.9Ω>0.222Ω，故电站的接地电阻超标。
3.接地网改造方案设计
3.1外延接地网1
在电站出线场北边有一片松树林，比较潮湿，土壤电阻率p实测为90.0Ω•m，初步设计了一个80m×60m的外延接地网1。该地网的网格为10m×10m，埋深h为1m。主地网与外延接地网之间距离大于100m，两者间使用四根扁钢导体连接，示意图如图1。
图1 外延接地网1的示意图
按照NB/T35050-2015《水力发电厂接地设计技术导则》6.1.1条款，计算外延接地网的接地电阻R1为0.6Ω。因为2个地网之间距离大于100m所以不考虑屏蔽影响，Rg1=R∥R1=0.361Ω>0.222Ω，计算结果仍不满足防雷要求，所以计划再增加一个外延接地电网2。
3.2外延接地网2
经现场调查，发现在距离变电站东边100m处有一片菜地，土壤电阻率ρ测得为34.0Ω•m，于是决定该处增加一个外延接地网2。该地网2大小为40m×30m，埋深不变为h=1m。主地网与外延接地网2之间也用四根扁钢连接，加入外延接地网2后的接地网示意图如下图2所示。
图2 外延接地网2的示意图
按照NB/T35050-2015《水力发电厂接地设计技术导则》6.1.1条款，计算外延接地网2的接地电阻R2为0.47Ω。因为与原地网之间距离大于100m所以也不考虑屏蔽影响，Rg2=R//R1∥R2=0.204Ω<0.222Ω，所以在外加两个外引接地网后，出线场的接地网能满足电力规程要求。
3.3跨步电压、接触电压的校验
整个接地网地电位升高为Ug=I×Rg2=1836V。根据NB/T35050-2015《水力发电厂接地设计技术导则》的7.3.3和7.3.4，计算得到原出线场最大接触电压为Utmax=KmaxUg=364.0V。又依照NB/T35050-2015《水力发电厂接地设计技术导则》的7.2.1计算得出地网的接地网接触电压允许值1057.0V>Utmax，故出线场的接触电压满足要求。
同理可根据NB/T35050-2015《水力发电厂接地设计技术导则》的7.3.5，分别计算得到三个地网的最大跨步电压Ukmax如表1所示。其中Uk为每个地网的跨步电压允许值。接地网跨步电压允许值可以依照NB/T35050-2015《水力发电厂接地设计技术导则》的7.2.1计算得出。由表1可得，每个接地网的最大跨步电压Ukmax小于接地网跨步电压电压的允许值Uk，故各个接地网的跨步电压满足要求。
表1 各接地网跨步电压
4.接地极材料的选取
本次接地装置改造通过对铜或扁钢两种接地极材料进行各项性能参数对比，选取最佳者为本次接地网改造的接地极材料。
4.1 电气性能比较
铜材比钢材相具有更好的导电性能。铜和钢在20°C时的电阻率分别是17.24×10-6（Ω•mm）和138×10-6（Ω•mm），因此铜的导电率是钢的8倍。铜的熔点为1083°C，短路时最高允许温度为450°C；而钢的熔点为1510°C，短路时最高允许温度为400°C。故接地体截面相同时，铜材热稳定性较好。另外研究表明，铜在土壤中的腐蚀速度大约是钢材的1/10~1/50，是镀锌钢耐腐蚀性的3倍以上，可见，铜接地体比钢接地体具有更好的耐腐性、可靠性。
4.2 经济性能比较
改造后的接地网由一个原主地网和两个外延接地网组成。主地网与外延接地网之间使用四根导体连接，主地网与外延接地网之间的距离均大于100米。由于原地网为铜材料，接地导通性测试合格，故不需要改造原地网。两个外延接地网和连接导体长度经计算为L=5950m。当使用铜材料时，由于接地网主要采用TJ-186的铜绞线，而TJ-186的16mm铜单价为59元/米，所用铜材料需要351050元。加上热融焊工料费用100000元，所以采用铜材料时共需451050元。
当使用扁钢材料时，接地极材料所采用50mm×4mm的镀锌扁钢，其单价为6元/米，所用镀锌扁钢材料需要35700元。扁钢焊接费用低，为20000元。但是由于扁钢会被土壤锈蚀，特别是后期需要维护，根据以往经验总的维修费用设为250000元。所以采用镀锌扁钢时，总共费用需305700元。
4.3 年投资成本费用比较
本次方案选择主要采用“年投资成本费用”，作为考核指标，来进行评价。“年投资成本费用”是指将技术方案在使用寿命周期内的总投资（包括投资及经营费用）按资金回收系数（总费用为终值时，则按偿债基金系数）平均分配到使用年限的每年的费用，并比较年投资费用的大小，以年投资费用小的方案为优。
按照我国电力工业的《电力工程经济分析暂行条例》规定，年成本费用的计算公式为
NF=Z
（2）
其中，NF为年费用（平均分布在m+1到m+n期间的n年内）；Z为折算到第m年的总投资；u为折算年运行费用。且有如下公式：
Z=
（3）
（4）
其中，m为施工年数；n为经济使用年数；t为从工程开工这一年起的年份；t'为工程部分投产的份；r0为电力工程投资的回收率。研究表明，铜材料接地网的的使用寿命可按50年计，且没有维护费用。而镀锌扁钢接地网的的使用寿命可按25年计。根据公式（1）、（2）、（3）、（4）可得此次接地网改造，选用扁钢和铜材料作为接地极的年投资成本费用，如表2所示。根据表2可得，选取铜材料为接地网材料，性价比要优于扁钢。
表2 镀锌扁钢和使用铜材料的年投资成本费用
5.基于CDEGS软件进行仿真验证
本次接地网设计采用国际著名的接地分析软件包CDEGS进行分析计算。该软件是由加拿大SES公司历经数年开发而成的，是一套功能强大的集成软件工具，主要用于精确分析土壤电磁建模、接地等问题。采用CDEGS软件进行仿真计算的设计图如图3所示。其中外延接地网主要采用TJ-186的铜绞线。
图3 接地网外延扩网设计图
5.1 采用CDEGS软件计算接地电阻
通过软件CDEGS，在地网上注入电流测量，其测得的接地电阻如图4所示。
图4 接地网总接地电阻
由上图可知，由CDEGS软件计算接地阻抗为0.207Ω，阻抗角为3.7度。由此计算出地网的接地电阻R=0.2065Ω，小于允许值0.222Ω，且与计算值0.204Ω相近，满足要求。
5.2采用CDEGS软件计算跨步电压
通过软件CDEGS，在地网上注入电流测量跨步电压如图5所示。
图5 跨步电压计算结果
由上图可知，接地网的最大跨步电压为194.051V小于接地网最小的跨步电压电压的允许值930.7V。故接地网的跨步电压满足要求。
5.3采用CDEGS软件计算接触电压
通过软件CDEGS，在地网上注入电流测量，其测得的接地电阻如图6所示
图6 接触电压计算结果
由上图可知，接地网的最大接触电压为349.7V小于接地网最小的接触电压的允许值1200.095V。故接地网的接触电压满足要求。
6.接地装置改造及施工
本次出线场接地网站内改造，将地网接地干线及设备双接地引下线全部采用TJ-186的铜绞线，垂直接地极采用100mm×100mm×10mm热镀锌角钢。接地体为铜与铜或铜与钢的连接时，连接工艺均采用热剂焊（放热焊接），保证连接部位的金属完全熔化，连接牢固。接地体顶面埋设深度均为1m。在接地体埋设的土沟中，都先回填了100mm厚的净土垫层，再敷接地极，然后用净土分层夯实回填。接地回填设置了150mm高度的防沉层。在接地装置的施工过程中，从接地装置的敷设接地极的连接、防腐措施的实施、焊接质量的跟进、重要结构部位的检查等每一环节都进行了严格检查并监督到位。接地施工完毕后，根据DL/T475-2006《接地装置特性参数测量导则》的有关要求进行接地网的测试，接地网的接地电阻、接触电压、跨步电压均满足要求。
7.结论
总之，水电安全生产关系着人们生活利益以及国家的财产安全。本次提出的接地装置设计与改造方案，主要依据当地地形、土壤情况，采用外引接地网的方式进行。仿真验证表明，该改造设计方案合理，改造结果满足规程要求，能够解决原有接地网存在问题，进而保障了水电站的安全稳定运行。
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论文作者:彭红英
论文发表刊物:《基层建设》2018年第10期
论文发表时间:2018/6/5
标签：电压论文; 外延论文; 电阻论文; 水电站论文; 地网论文; 装置论文; 扁钢论文; 《基层建设》2018年第10期论文;