大型水电站接地网特性参数超标处理方法及其应用.pdf

年第 期 水电与新能源 第 卷.:././.收稿日期:作者简介:仝 杨男工程师主要从事水电站电气一次设备运维管理方面的工作大型水电站接地网特性参数超标处理方法及其应用仝 杨(湖北清江水电开发有限责任公司湖北 宜昌)摘要:随着电网的发展系统短路容量大幅增加其原因是大型水电站接地网具有腐蚀速度快散流性能不易改善特别是水下地网维护处理不便经长期运行后地网特性参数超标问题尤为突出 为此在对大型水电站地网特性参数进行解析的基础上针对性的提出了降阻、隔离、限压的一体化治理方法和措施并应用于地网设计、选材、施工及效果评估等各环节以期减少水电站地网事故的发生保障地网安全关键词:大型水电站接地网超标方法案例中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:接地网安全问题一直是电力系统重点研究的内容 一方面随着运行时间增加地网不断腐蚀性能不断下降另一方面电网扩容使得系统短路容量越来越大对地网散流性能要求愈来愈高因此长期运行后地网特性参数超标的问题较为普遍容易造成人身伤亡及设备损坏事故对于大型水电站其岸上地网(升压站等)主要做为设备设施保护接地用只起辅助散流作用水下地网面积大、电阻率小是电站的主散流体故电站地网性能主要由水下地网决定由于水下地网腐蚀速度快维护处理不便因此大型水电站地网特性参数超标问题更为突出针对大型水电站地网特性参数超标问题一些文献 研究了地网降阻问题提出了扩网、使用降阻剂等应对措施但地网特性参数超标时降阻并不是唯一目标不经技术经济比较盲目采用某些降阻措施很可能造成资源浪费且可能无法达到预期效果 针对该问题本文在对地网特性参数进行分析的基础上根据水电站地网特点提出了降阻、隔离、限压的一体化治理方法和措施并将其应用于工程实际由此介绍了地网设计、选材、施工及效果评估等各环节以期减少水电站地网事故的发生保障地网安全仝 杨:大型水电站接地网特性参数超标处理方法及其应用 年 月 特性参数超标处理方法与措施为保证大型水电站地网特性参数超标问题的处理效果需对反映地网性能的关键参数进行分析并在此基础上制定处理方法而后结合水电站地网特点提出科学合理的应对措施.处理方法在表征地网性能的特性参数中地电位值、接触电压值和跨步电压值直接影响人身和设备安全从保障安全这一最终目标考虑当地网性能下降时应采取措施限制上述电压的上升地电位升高值与入地电流及接地电阻大小正相关为限制地电压升高一是要减小入地电流二是要减小接地电阻值 关于接地电阻相关标准中根据不同的入地电流水平规定了接地电阻的限值公式及限值(.)某些厂站据此过分追求小的接地电阻值并视限制接地电阻在.内为唯一目标这是不科学的因为规定接地电阻不大于.的目的是限制地电位升高不超过 且并非硬性要求当电站接地电阻因客观条件难以降至.以下或入地电流水平较高时地电位升高值可能超过 此时需采取隔离转移电位的措施提高地电位升高限值保障人身和设备安全接触电压值和跨步电压值与人身安全直接相关必须严格限制 二者均与地电位升高值正相关与散流路径的电阻率负相关为此一是要减小地电位升高值二是均衡整个地网电压三是提高电流流经人体路径的整体电阻率综上分析水电站地网长期运行后特性参数超标时总体处理方法应是尽量降低地网工频接地电阻采取隔离转移电位措施严格限制跨步电压和接触电压升高.应对措施.降低接地电阻根据地网电阻估算公式 /要降低接地电阻一是要增加地网面积二是要降低土壤电阻率实际操作中必须事先明确想要到达的降阻效果并计算不同降阻措施实施后地网的预期接地电阻而后决定采取何种降阻措施 对于水电站尤其不可盲目、孤立地制定降阻措施以免造成不必要的浪费应根据现场条件综合不同形式的降阻方式的优点经经济技术比较后采取灵活合理的降阻措施)增大地网面积 增大地网面积意味着外扩地网或地网改造对于水电站外扩地网包括水下扩网和岸上扩网两种方式 水下扩网必须在河流最低水位下进行通常是不现实的且水下扩网存在地网腐蚀速度较快的问题很难保持降阻效果的长效性岸上扩网需根据站区实际条件进行通常需配合使用降阻剂等降低土壤电阻率的措施若站区存在土壤电阻率较低的区域且经计算扩网面积能够满足降阻要求则岸上扩网是可行的但岸上扩网的缺点是工程量大施工成本高)降低电阻率 降低电阻率的手段主要包括使用降阻剂及电解电极、采用深井接地等降阻剂是一种低电阻率混合物在电极周围土壤中使用后可降低电极区域土壤电阻率变相增加电极体积及其与土壤接触面积有效地降低水电站地网的接地电阻需要注意的是部分降阻剂含有毒性成份其渗透到地下水及河流中后将对环境造成破坏且部分降阻剂存在流失速度快及腐蚀电极的问题因此使用时应挑选环境友好型且性能可长效保持的产品电解电极是一种特殊的接地电极这种电极内部装有电解质使用后可向土壤中缓慢持续释放导电离子这种电极施工简便且性能长效通常可以做到 年免维护降阻效果较好适合水电站接地极改造时代替普通电极使用深井接地是将接地极深埋于地下电阻率较低的区域这种降阻方式适用于土壤电阻率分层明显且下层土壤电阻率远小于上层的情况一般还需配合降阻剂使用对于水电站来说其土壤下层一般为基岩电阻率较高故而不适合采用深井接地且这种方式动辄需要打数口 以上深井工程量较大.转移电位隔离及低压系统防护不论接地电阻大小如何只要电站的地电压升高值大于 就必须采取隔离转移电位的措施并对低压系统进行防护、检验以防止高电位对人身和设备造成伤害 主要措施包括对通向站外的油、气、水管道进行绝缘隔离、参考地电压升高值对中性点接地的变压器.绕组绝缘进行耐压考核、敷设二次等电位接地网、对站内低压系统及二次系统进行防雷保护等.电压升高限制)大型水电站电力外送线路普遍配置有架空地线应在站内将架空地线与地网连接当站内发生接地故障时一部分短路电流会经架空地线流入系统中性点可有效减小站内入地电流幅值限制地电位升高)地网边角区域散流作用明显强于中间区域因水 电 与 新 能 源 年第 期此地网边角处电势较高为此可将水平接地带布置为边角密中间疏的不等距形式尽量均衡地网电压)为提高人体可承受的接触电压和跨步电压根据其限值公式应增大与人脚接触的土壤的电阻率为此可在地面敷设沥青、鹅卵石等高阻层这些高阻层在雨天仍能保持高电阻率考虑到高阻层达到一定厚度时限制接触电压和跨步电压的饱和效应其敷设厚度一般为 需要注意的是普通混凝土因具备吸水性不能做为高阻层 案例展示清江高坝洲水电站位于湖北省宜都市电站总装机 经两路 线路实现电力外送年建成投运 电站接地网主要由坝体、下游护坦组成的水 下 地 网 及 左 岸 开 关 站 地 网 组 成 总 面 积 地 网 特 性 参 数 初 始 值 为:接 地 电 阻.入地电流水平下的跨步电压.接触电压.地电位升高值.上述参数均在标准要求的范围内 随着系统短路容量迅速扩大至 年 月站内入地短路电流已达.电站地网特性参数超标及性能下降问题开始显现具体表现为接地电阻升至.接近标准限值地电位升高值.超过标准限值开关站一点接地的设备外壳带电现象严重 不考虑入地电流水平升高的因素分析认为地网接地电阻升高及地电位超标的主因是地网腐蚀地网主要材料为 扁钢及 圆钢 两 种 材 料 平 均 最 大 腐 蚀 速 度 分 别 取.、./则至 年两种材料截面积只有投运时的、左右对开关站地网进行开挖验证发现设备接地引下线使用了镀锌扁铁较为完整但地网接地体使用的是未镀锌的普通钢材锈蚀严重部分水平接地带已断裂可以预见水下地网的锈蚀情况更为严重.方法制定电站地网面临的主要是地网腐蚀叠加入地短路电流升高造成的性能下降问题为此一是对地网进行扩网或改造以降低接地电阻二是对通往厂外的金属管道予以电气阻断隔离转移电位保障人身安全三是对低压系统进行防护并对其绝缘强度进行检验保障设备安全.措施实施.地网改造由于对水下地网进行大面积修复或扩网不现实考虑在岸上扩网经粗略估算 为将接地电阻降至初始水平地网需在原面积上增加即 且新 建 地 网 区 域 土 壤 电 阻 率 必 须 与 河 水 电 阻 率 相当然而现场并不具备这样的扩网条件由于开关站地网严重腐蚀造成一点接地的设备外壳带电现象严重为此决定对开关站地网进行升级改造以降低地网整体接地电阻由于电站地处山区其基岩电阻率为 深井接地降阻效果不好决定在地网中埋设长效降阻剂以加强降阻效果)地网设计 依照开关站区域形状地网总体设计为()闭合矩形考虑水平均压带间的屏蔽效应及地网跨步电压、接触电压远小于限值要求的特点其总数设计为 根(不含 条边)采取等间距矩形孔布置网孔数为 个以方便设备外壳与地网连接 原地网中垂直接地极均布置在地网内部均压带对垂直接地极间屏蔽效应较强垂直接地极利用系数低散流效果较差改造时在地网外围土质较好处新增 个垂直接地极并在垂直接地极周围土壤中埋设长效降阻剂以加强散流新增垂直接地极单根长度.埋设间距 将均压带与垂直接地极焊接形成最终地网(见图)图 开关站区域接地网整体设计图)选材及施工 由于开关站设备接地引下线使用的镀锌扁铁锈蚀情况并不严重在接地体材质上未选择耐腐蚀及热稳定性能更好的铜或铜覆钢而是选用成本较低的热镀锌扁钢及角钢 钢材最小截面在满足机械强度要求的基础上根据热稳定要求(式)进行了确定(/).()其中取式()、式()中较大者()()()仝 杨:大型水电站接地网特性参数超标处理方法及其应用 年 月 ()()式中:为接地带(极)最小截面为经地网散流的短路电流稳定值为短路故障等效时间 为材料的热稳定系数为站内单相接地故障的最大短路电流为最大接地故障时流往站内主变中性点的短路电流为站内接地故障时经架空地线向站外分流的分流系数为站外接地故障时经架空地线向站内分流的分流系数对该电站取 取 取.、取.、及 计 算 值 分 别 为.、.、.根据式()确定的接地带(极)最小截面积为 为保证实施效果适度考虑了材料腐蚀及电网的发展选用 镀锌扁钢做为水平接地带 镀锌角钢做为垂直接地极并在施工时特别注意了接地带(极)的埋深、钢材的焊接方式及设备外壳双引接地布置等.高电位隔离及防护由于开关站地网面积只占地网总面积的 根据矩形地网接地电阻公式粗略估算开关站地网改造后接地电阻只能降至.左右此时地电压升高值约.仍超过了限值要求因此地网改造的同时采取了高电位隔离及低压系统防护措施)更换站内供水管路 站内水厂供水管路为钢质并敷设至站外居民区站内接地故障时高电位将通过水管向站外转移对站外居民造成严重的人身安全隐患为此将水厂供水管更换为聚乙烯材质并采用热熔工艺连接)厂变绝缘强度校验 为防止地电位升高对厂变.低压绕组的反击按超出地电位升高值(预估为 )对站内厂变.低压绕组进行短时()交流耐压试验试验结果均合格)低压系统防护功能完善 为防止地电位升高损坏站内.配电系统及二次系统在上述系统电源端加装了交流电源电涌保护器及直流电源电涌保护器进行防护.电位升高限制为保证站内两路架空地线的分流作用降低地电位升高值对龙门架基础与地网的连接进行了检查修复确保二者的可靠连接并对开关站内鹅卵石上的杂草进行了全面清除减小接触电压、跨步电压造成人身伤害的概率.效果评估上述措施实施后对电站接地网特性参数进行了复测实测平均接地电阻为.接近预期值开关站区域设备外壳导通电阻均小于.设备接地良好跨步电压及接触电压均合格地网均压效果良好在入地短路电流由.上升至.的情况下地电位升高值仍可保持在.且消除了高电位对人身及设备的损害检验了高电位对低压设备的影响整体而言电站地网性能改善工作达到预期目标 结 语)系统短路容量不断扩大对地网散流要求不断提高但地网自建成以后性能不断下降二者相互矛盾造成地网特性参数超标问题在电力系统中普遍存在)大型水电站地网散流主要依靠水下地网且水下地网无法定期检查维护、腐蚀速度快因此地网特性参数超标问题更为突出处理起来相对困难)在采取了限制地电位升高及隔离、均压措施后可以放宽对接地电阻的要求且大型水电站接地网通常面临扩网困难、降阻不易的问题片面追求过小的接地电阻值的做法不科学、不合理因此面对地网特性参数超标问题时应根据地网特点采取降阻、隔离、限压的综合治理方法)实践中需事先对措施实施后的接地电阻值、地电压升高值进行客观预估预算以确定制定的措施是否科学合理、能否达到预期效果切不可仅凭主观臆想开展工作参考文献:吴庆华.降低接地网电阻的措施.江西电力():周勇.浅谈变电站接地网电阻偏高的原因及降低接地电阻的措施.广西电业():杜宏滨.变电站降低接地电阻方案.黑龙江科学():/交流电气装置的接地设计规范/水力发电厂接地设计技术导则李鹏程 李福年.阿海水电站接地网降阻设计与施工.云南水力发电 ():毛健.发电厂和变电站二次设备等电位接地网的布设.水电与新能源():肖丽春 黄健.丹江口水电厂、开关站接地网的改造.水电与新能源():