0引言

抽水蓄能電站通常處于山嶺地區(qū),地質(zhì)條件上存在高電阻率巖層且場區(qū)范圍廣,廠房往往采用地下式布置,并與地面開關(guān)站及上下水庫相連,導(dǎo)致接地網(wǎng)呈分散多區(qū)域分布。系統(tǒng)發(fā)生故障時,土壤電阻率高及接地網(wǎng)絡(luò)長距離連接易造成地電位升(GPR)過大,并可能引發(fā)局部接觸電壓或跨步電壓超標(biāo)的安全隱患^[1]。同時,中壓系統(tǒng)(如6~10 kv)中無間隙金屬氧化物避雷器對地電位升較敏感,如接地網(wǎng)設(shè)計(jì)不當(dāng),可能導(dǎo)致避雷器在故障時反擊或誤動作^[2]。因此,加強(qiáng)對抽水蓄能電站接地系統(tǒng)的綜合分析與優(yōu)化改造勢在必行。

傳統(tǒng)的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式或較簡化的均勻土壤模型,難以準(zhǔn)確反映分層土壤和水體電阻率對接地性能的影響。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的成熟,CDEGS等商用軟件可對大型、分散接地網(wǎng)進(jìn)行精確的電場—電路耦合分析,為工程設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。本文基于黑麋峰抽水蓄能電站的土壤和水體實(shí)測數(shù)據(jù),結(jié)合CDEGS仿真,提出并對比多種改造方案(如水平擴(kuò)網(wǎng)、深井接地、水下接地、降阻材料及組合方案)。通過對方案在安全性、經(jīng)濟(jì)性和施工可行性方面的評估,力求為高土壤電阻率地區(qū)的抽水蓄能電站接地系統(tǒng)改造提供可供借鑒的思路。

1土壤與水體電阻率測量

1.1 土壤電阻率測量

接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)在于準(zhǔn)確掌握場址土壤的電阻率分布^[1]。實(shí)際工程中,土壤電阻率會因成分、含水率、密實(shí)度及地質(zhì)構(gòu)造等因素而呈現(xiàn)顯著的水平與垂向差異。

目前,最常用的現(xiàn)場測試方法是四極法(wenner或Schlumberger等變型),其核心原理是在直線上布設(shè)四個探針:外側(cè)電極負(fù)責(zé)通電,內(nèi)側(cè)電極測量電位差,再依據(jù)電流與電壓讀數(shù)推算“視在電阻率”。通過調(diào)節(jié)探針間距,可探查不同深度土層;將多次測量的視在電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,可獲得較為準(zhǔn)確的分層土壤電阻率分布。原理圖如圖1所示。

此外,地質(zhì)電法測深與四極法原理相似,但采用更大極距和專業(yè)地球物理測量設(shè)備,探查深度可達(dá)數(shù)十米乃至更深,常用于評估電站樞紐區(qū)大范圍、深層土壤或基巖電阻率,為大型接地工程或巖土評價(jià)提供更系統(tǒng)的地質(zhì)依據(jù)。

在實(shí)際操作中,測線布設(shè)應(yīng)盡量避開地下金屬管線、軌道或圍欄等干擾因素,以提升測量準(zhǔn)確度^[3],同時需做好設(shè)備校準(zhǔn)與環(huán)境排查,確保最終反演結(jié)果能夠真實(shí)反映目標(biāo)場地的土壤電阻率特性。

1.2水體電阻率測量

抽水蓄能電站擁有下水庫或其他天然水域,如水體電阻率遠(yuǎn)低于土壤,則可視為天然低阻接地電極,對降低整體接地阻抗十分有利^[3—4]。

在實(shí)際工程中,水體電阻率通常通過測量水體電導(dǎo)率再利用下式進(jìn)行換算來獲得。

式中:P為水體電阻率;σ為水體電導(dǎo)率。

為確保測量精度,應(yīng)在可能布設(shè)水下接地網(wǎng)的水庫或其他水域采集水樣,同時盡量避開漂浮物及泥沙濃度高的水層。測量時宜使用具備溫度補(bǔ)償功能的電導(dǎo)率儀,測試前須用去離子水或純水清洗電極,以減少雜質(zhì)干擾。

1.3等效建模方法

基于分層土壤的精細(xì)建?？衫枚鄬踊驈?fù)合模型,但若層數(shù)較多且范圍大,則計(jì)算量巨大。為兼顧精度與效率,可采用以下等效策略:

1)將主要差異顯著的若干層(如高阻巖層、低阻黏土層)保留在模型中;

2)以加權(quán)平均或數(shù)值迭代方法,將一些細(xì)小層合并到“等效均勻?qū)印敝?

3)對于水體區(qū)域,設(shè)置一層導(dǎo)電介質(zhì)(電阻率取實(shí)測值,厚度約等于水深),與相鄰?fù)翆鱼暯?

4)通過CDEGS的土壤反演工具(RESAP)擬合土壤分層參數(shù)并驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測值一致^[5]。

這樣可在保證接地阻抗和地表電位分布模擬精度的前提下,降低對計(jì)算資源的需求。

2 已有接地系統(tǒng)分析

抽水蓄能電站的接地系統(tǒng)一般由多塊子接地網(wǎng)構(gòu)成:主廠房接地網(wǎng)、地面開關(guān)站接地網(wǎng)、上下水庫敷設(shè)的水下接地裝置等,通過埋地或架空導(dǎo)體互相連接^[3]。每個子接地網(wǎng)的材料和規(guī)模有所不同,但都共同承擔(dān)將故障電流散流入地的任務(wù)。

利用前述土壤/水體分層模型和現(xiàn)有接地網(wǎng)幾何布置,在CDEGS中建立仿真模型。經(jīng)調(diào)整大范圍土壤等效電阻率,使仿真得到的全場接地阻抗與實(shí)測值一致,使得模型符合現(xiàn)狀。將電站最大單相接地電流故障電流注入,計(jì)算得到地電位升(GPR),將此值與10 kv無間隙避雷器的安全上限(通常約6 kv^[2])對比。

此外,需關(guān)注地表電位分布圖顯示廠房、開關(guān)站周邊在故障時的跨步/接觸電壓,可能由于土壤整體電阻率偏高、分散連接較長,難以將接地電阻降至理想水平,也無法保證關(guān)鍵區(qū)域電位足夠均勻。

3接地改造方案設(shè)計(jì)

3.1 改造目標(biāo)與優(yōu)化原則

抽水蓄能電站接地系統(tǒng)改造的主要目標(biāo)如下:

1)由于我國10 kv系統(tǒng)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),地電位升無法通過變壓器中性點(diǎn)耦合到母線上,接地網(wǎng)地電位升過高可能會反擊到10 kv無間隙金屬氧化物避雷器上。而無間隙金屬氧化物避雷器額定電壓的選取通常是根據(jù)系統(tǒng)的最大工頻過電壓來確定,一般不會考慮到地電位升的問題。這樣,當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)GPR過高導(dǎo)致反擊到10 kv無間隙金屬氧化物避雷器兩端的電壓超過其工頻耐受電壓時就有可能發(fā)生避雷器爆炸事故。

接地網(wǎng)電位升高時對10 kv無間隙金屬氧化物避雷器的反擊可以通過圖2所示的模型進(jìn)行分析。

接地網(wǎng)的電位升ug加在無間隙金屬氧化物避雷器端子對接地網(wǎng)間的電容CB和線路對地電容CL的串聯(lián)回路上。由于CL≥CB,所以認(rèn)為全部的地電位升都將作用在CB上,也就是無間隙金屬氧化物避雷器上。因此,應(yīng)將工頻接地阻抗降至較低水平,故障地電位升保持在4 kv或以下,以顯著降低避雷器反擊概率。

2)將跨步電壓和接觸電壓控制在安全標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)(如GB/T50065—2011、NB/T35050—2023等規(guī)定^[1,3]):

式中:Ut為接觸電位差允許值;US為跨步電位差允許值;CS為表層衰減系數(shù);PS為地表層電阻率;PB為底層土壤電阻率;hS為表層土壤厚度;t為接地故障電流持續(xù)時間。

3)增強(qiáng)季節(jié)穩(wěn)定性,使接地性能在干旱或寒冷季節(jié)保持穩(wěn)定。

4)施工設(shè)計(jì)兼顧現(xiàn)場地理?xiàng)l件與經(jīng)濟(jì)性,充分利用已有空間和資源,避免過度占地或施工量驟增。

5)確保改造后網(wǎng)內(nèi)電位差可控,避免廠房、開關(guān)站、上下水庫區(qū)等相互之間電位差過大造成轉(zhuǎn)移電位風(fēng)險(xiǎn)^[3],同時還需注意二次設(shè)備工頻絕緣耐壓值。根據(jù)課題組試驗(yàn)結(jié)果,各設(shè)備工頻耐壓強(qiáng)度如表1所示。

由表1可知,在各種設(shè)備中,微機(jī)保護(hù)裝置的絕緣耐受電壓是最低的,為2 kv左右,所以微機(jī)保護(hù)裝置的工頻耐壓特性對于確定電站接地網(wǎng)的安全設(shè)計(jì)原則將起決定性作用,設(shè)計(jì)時應(yīng)嚴(yán)格控制接地網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)電位差,使地電位升對其的反擊過電壓不超過2 kv。

基于上述目標(biāo),優(yōu)化原則包括:擴(kuò)大接地散流面積、降低周圍土壤電阻率(如運(yùn)用降阻材料或深井接地)、合理利用低阻水體以及增強(qiáng)各子網(wǎng)的連接冗余度^[4]。

3.2 不同接地改造方案概述

針對抽水蓄能電站的高土壤電阻率特征,本文提出并概括了五種典型的降阻技術(shù)路徑。

1)水平擴(kuò)網(wǎng):在現(xiàn)有接地網(wǎng)上增設(shè)水平敷設(shè)的扁鋼或鋼絞線,并與原網(wǎng)可靠焊接,形成更大覆蓋面積。適合土壤電阻率中等的敞亮場地,施工成本相對較低。

2)深井接地:在高阻巖區(qū)打深井穿透至低阻含水層或黏土層,埋入長效垂直接地極,顯著降低接地電阻,但施工設(shè)備要求高、一次投入相對較大^[6]。

3)水下接地:將接地導(dǎo)體敷設(shè)于電站下水庫最低水位線以下。因水體電阻率明顯低于土壤,可有效分流并降低GPR^[4]。需注意水位變化及水下施工的安全性和可維護(hù)性。

4)降阻材料:在局部高阻區(qū)或已有電站改造中,通過埋設(shè)電解離子接地極、化學(xué)降阻劑或接地模塊,改變電極周圍土壤的導(dǎo)電特性。優(yōu)點(diǎn)是占地小、無須大規(guī)模開挖,但材料價(jià)格相對更貴。

5)混合方案:聯(lián)合以上多種技術(shù)手段,既擴(kuò)大面積,又降低介質(zhì)電阻率,并打通深層低阻層。此組合通常在綜合效果上優(yōu)于單一技術(shù),但投資最高,設(shè)計(jì)與施工更復(fù)雜^[4]。

3.3 方案的經(jīng)濟(jì)性與施工可行性

綜合比較各方案的投資、施工周期及使用壽命可知:水平擴(kuò)網(wǎng)成本低、施工簡單,但對場地空間和土質(zhì)要求較高;深井接地可在高阻巖區(qū)顯著降阻,但施工周期長、單井費(fèi)用高;水下接地適用于擁有穩(wěn)定水庫的場景,降阻幅度可觀,但需配合機(jī)組檢修等工期并保障水下施工安全^[4];降阻材料施工便捷,是局部補(bǔ)強(qiáng)的有效途徑;混合方案雖然初投資最高,但可實(shí)現(xiàn)更大幅度降阻并保持長效穩(wěn)定。因此,工程上往往在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)與可施工性三者之間進(jìn)行權(quán)衡,結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)和水文條件進(jìn)行多方案比選,并可能通過“分步實(shí)施,逐步驗(yàn)證”的方式減小風(fēng)險(xiǎn)。

3.4CDEGS仿真建模及參數(shù)設(shè)定

在設(shè)計(jì)完成初步方案后,可在CDEGS中分別建立各自對應(yīng)的接地模型,對各種改造方案分別進(jìn)行定量評價(jià)。具體做法如下:

1)統(tǒng)一土壤模型:采用經(jīng)測量與反演得到的多層或等效分層參數(shù),如果考慮設(shè)立水庫水網(wǎng),則需外加水庫水體模型,需結(jié)合抽水工況下的水庫水深及實(shí)測水電阻率建模。

2)修改接地網(wǎng):在原有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上分別增加“水平擴(kuò)網(wǎng)”,添加“深井垂直接地極”,納入“水下網(wǎng)格”或“局部降阻極”等。

3)工況設(shè)定:注入最大單相故障電流,計(jì)算工頻穩(wěn)態(tài)接地阻抗和地表電位分布(包括跨步、接觸電壓),以及網(wǎng)內(nèi)最大電位差。

4)結(jié)果對比:統(tǒng)計(jì)各方案GPR、接觸電壓、跨步電壓、網(wǎng)內(nèi)電位差等指標(biāo)的數(shù)值,并評估其安全裕度、施工的可行性以及潛在經(jīng)濟(jì)成本。

為更貼近實(shí)際,若考慮水位季節(jié)變化、土壤干濕度波動,可在CDEGS中對水體厚度或土壤電阻率作多組模擬,評估其敏感性與長期性能^[4]。

4接地性能優(yōu)化及對比分析

利用CDEGS的多場景仿真,對接地阻抗、接觸電壓、跨步電壓、故障電位升等重要參數(shù)進(jìn)行對比。對包含水下接地網(wǎng)的改造方案,需注意最低水位時仍可確保電極浸沒;若電站或水庫施工導(dǎo)致水位長期顯著降低,水下接地的降阻效益會削弱^[4,6]。

此外,土壤電阻率的季節(jié)性和長期變化也不容忽視:雨季土壤含水率升高可強(qiáng)化接地效果,旱季則相反;若大量使用降阻材料,土壤濕度會較為穩(wěn)定,從而對季節(jié)敏感性較低。深井電極由于在深層濕土或水層,季節(jié)波動影響更小^[6]。

長期來看,埋地導(dǎo)體的腐蝕及降阻材料的衰減均可能使接地電阻緩慢上升,需建立定期測試和維護(hù)機(jī)制。

總體而言,組合多種技術(shù)手段的混合方案在安全性與穩(wěn)定性方面可取得最佳綜合效益:既擴(kuò)大了水平覆蓋面,也利用深層或水下低阻介質(zhì),并可在高阻巖區(qū)適度施加降阻劑,兼顧了降阻效果與可靠性^[4]。

5 安全性校核

接地系統(tǒng)改造完成后,需重點(diǎn)驗(yàn)證以下安全指標(biāo):

1)跨步電壓、接觸電壓:根據(jù)GB/T 50065標(biāo)準(zhǔn),對故障持續(xù)時間與人員體重進(jìn)行假設(shè),獲得允許接觸/跨步電壓限值^[7]。在CDEGS仿真輸出中,各關(guān)鍵區(qū)域(廠房、開關(guān)站、生活區(qū))的最大跨步與接觸電壓均不超過限值。

2)網(wǎng)內(nèi)電位差:多區(qū)域接地網(wǎng)易產(chǎn)生分區(qū)電位差,可能危及二次設(shè)備或通信線路。

3)10kV避雷器反擊:當(dāng)GPR過高(如>6kV)時,無間隙避雷器可能出現(xiàn)反擊^[2]?？蓪PR降至4kV甚至以下,從而避免避雷器遭受過電壓而誤動作。

4)場外環(huán)境影響:故障電流注入大地后會在周邊形成一定電位分布,仿真表明,數(shù)十米外電壓已衰減至安全水平,可滿足“站外不危及公眾”原則^[7]。若有金屬管道或通信電纜穿越電站區(qū)域,需加絕緣段防止電位轉(zhuǎn)移。

6結(jié)論與建議

1)抽水蓄能電站普遍面臨高阻巖層與分散式接地布局帶來的接地難題,通過現(xiàn)場測量土壤與水體電阻率并建立分層模型,可利用CDEGS評估既有系統(tǒng)接地阻抗和地電位分布。

2)為降低故障時地電位升、增強(qiáng)季節(jié)穩(wěn)定性并保障人員和設(shè)備安全,本文提出并對比了五種典型改造技術(shù):水平擴(kuò)網(wǎng)、深井接地、水下接地、降阻材料和多技術(shù)并用的混合方案。

3)不同方案在施工可行性與經(jīng)濟(jì)性上存在差異:水平擴(kuò)網(wǎng)成本低但效果受限;深井接地適合高阻巖區(qū)但施工復(fù)雜;水下接地需配合水位管理;降阻材料施工靈活,易局部改造;混合方案一次性投入較高,長期效益最佳。

4)建議實(shí)際工程中結(jié)合土壤電阻率特征和施工條件,優(yōu)先利用現(xiàn)有天然條件(如水庫),適度采取深井電極或降阻材料,并加強(qiáng)地網(wǎng)連接冗余度。對于大型或關(guān)鍵電站可考慮分步實(shí)施混合方案。最后需建立長期監(jiān)測與維護(hù)計(jì)劃,以應(yīng)對金屬腐蝕、土壤環(huán)境變化等因素,確保接地系統(tǒng)始終保持良好的安全裕度。

5)隨著新型長效降阻材料、在線監(jiān)測系統(tǒng)等技術(shù)發(fā)展,抽水蓄能電站接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)將更加精細(xì)化與智能化。本文研究的思路與方法不僅適用于本項(xiàng)目,也可為其他高阻地區(qū)的抽水蓄能電站接地優(yōu)化提供參考。

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《機(jī)電信息》2025年第14期第3篇