□李 鵬（甘肅省水利水電勘測設計研究院）

江源水電站接地降阻設計方法

□李 鵬（甘肅省水利水電勘測設計研究院）

文章介紹水電站接地電阻的計算方法以及高土壤電阻率環(huán)境下降低水電站接地電阻的措施，重點提出一種通過采用新型電解地極的降阻方法，該方法在多石、巖石、沙石等土壤電阻率較高的環(huán)境中，可以顯著降低較傳統降阻措施中因增加接地網面積或挖多個深井等措施而產生的較高施工成本，并通過青海江源水電站降阻實例分析驗證文中提出方法的工程實用性和有效性。

降阻；電解電極；電離子；接地；水電站

1 引言

江源水電站位于青海省門源縣仙米鄉(xiāng)的大通河干流上，是一座徑流引水式無調節(jié)水電工程，裝機3×14 MW，電站送出電壓為110 kV，出線1回，接入青海省海北大莊110 kV變電所，新建110 kV線路15 km。江源水電站建設過程出現實測接地電阻值達不到設計要求問題，而且廠址面積有限，在有限的接地網面積內采取措施降低接地電阻是亟待解決的問題。

2 江源水電站接地現狀

江源水電站所在地為多石、土壤電阻率較高的青藏高原地區(qū)，廠址所在地區(qū)地質結構復雜、擴展區(qū)域受限，江源水電站接地網設計接地電阻要求R≤0.50 Ω，其所在地區(qū)土壤電阻率ρ=129.10 Ω·m?？⒐ず笄嗪Ｊ±纂姺雷o裝置檢測所對江源水電站主接地網接地阻抗進行檢測，測得江源水電站主接地網接地電阻實測值為0.72 Ω，檢測結果顯示其主接地網接地阻抗不符合相關規(guī)范要求。為保證主接地網電阻符合要求，需要對江源水電站接地網進行降阻改造。

3 接地系統降阻解析計算

接地網電阻一般采用的理論估算公式為：

式中：ρ為土壤電阻率；S為接地網面積；R為地網接地電阻。

經上式計算得知，要把接地電阻R降至0.50 Ω，需要的接地面積S約為16 666.81 m2，根據電站已實施人工接地體以及水工建筑物面積，現場達不到計算接地要求面積，而且根據上述接地阻抗公式的數學曲線可知，隨著接地網面積S增大，接地網電阻R逐漸趨于飽和，所以通過增加接地面積方式接地電阻很難降下來。

在設計水電站接地網時，也可以充分利用周圍環(huán)境敷設水下接地網，以降低水電站接地網的電阻，水下正方形接地網的接地電阻計算公式為：

式中：R為水下正方形接地網的電阻；h為接地網在水下的深度；ρ1為水（上層）的電阻率；ρ2為水底土壤（下層）電阻率；k為反射系數，。

式中：S為接地網的面積；L為接地網所在的導體總長；d為導體自身的直徑大小。

在水下范圍內，接地網電阻計算公式為：Rn=α、R。

式中：α1為大小形狀不一的接地網系數；L0為大小形狀不一的接地網外圍的周長；R為接地網的電阻大小；S則視為未為大小形狀不一的接地網總體面積。

若采用水下接地網把接地電阻R降至0.50Ω，根據ρ1=20.10 Ω· m、ρ2=130.20 Ω·m、d=0.01 m、h=10 m，代入式（2）～（5）計算可知至少需要水下2 060 m2的接地網，在崎嶇陡峭不規(guī)則的河道敷設大面積的接地網是不現實的。

若采用電阻率較低的材料如降阻劑，將接地網內自身范圍內的土質作為降阻劑替代品，并將其作為深井多井口的輔助，從而使得接地網與半球接地體效率等同，如下圖1所示：

圖1 半球接地示意圖

q其中r作為該接地體的半徑進行設置，其接地電阻的公式：

由土質的總體電阻率為ρ=129.10 Ω·m，將接地網的電阻大小設計值為R=0.50 Ω，經上式計算得知，需將該接地體的半徑大小r擴至41 m。

由于化學降阻劑具有一定的滲透能力和擴散能力，通過在土壤中添加化學降阻劑可以降低土壤的電阻率ρ，從而降低電站的接地網電阻R，但深埋地下的降阻劑容易隨雨水流失，其降阻性能很難保持穩(wěn)定長效，另外一些化學降阻劑含有一些有毒性的物質，不僅會腐蝕接地極，縮短接地極的工作壽命，而且上述埋入土壤中的化學降阻劑會隨雨水沖刷進入電站下游的河道，對相關流域內的生態(tài)環(huán)境造成污染，對附近人畜的健康造成危害。

如果采用打深井放降阻劑降低土壤電阻率方式，則江源水電站需要打多個41 m深的井，在高原、多石、地質結構復雜的條件下，該方式施工成本較高，且需占用較多土地,不是經濟合理的降阻解決辦法。

通過上述幾種接地網電阻解析計算，理論上可以通過增加接地網的面積S來實現降阻的目的，實際工程中受施工條件和可利用土地的限制，無法敷設規(guī)定接地電阻值對應的接地網面積，因此需要考慮通過其他途徑來改善接地網的接地阻抗。

4 新型電解地極接地系統

從上述半球接地電阻公式可知，如果能降低接地半球中的土壤電阻率ρ值，接地電阻值R值隨之降低。本次降阻方案采用向土壤中施放電解質的方法來降低土壤電阻率ρ值，江源水電站最終確定通過選用新型防腐電解地極的方法降阻。電解地極是在銅管內填裝無毒化合物晶體，構成施放電解質的載體，將電解電極埋于地下并與水電站主接地網連接，由于電解地極銅管上的呼吸孔可以從周圍土壤中吸收水分，從而使電解地極內部的化合物晶體變?yōu)殡娊赓|溶液，該電解溶液又從呼吸孔滲出，并流入電解地極四周的土壤，從而使埋設電解地極的區(qū)域形成了成片導電率良好的電解質離子土壤，特別是在砂土、多石、巖石地質結構的區(qū)域，電解質液可向砂質粘土的縱深方向和巖石表面的四周滲透，使原來導電率極差的砂巖地質結構形成了一個良好的電解質導電通道，從而大范圍地降低了土壤電阻率ρ值，同時由于銅管內是無毒化合物，該方法不會對環(huán)境造成任何污染。

設N為要達到接地電阻設計值R所需的電解地極的數量，由下列公式：

式中：R0為原地網的接地電阻；R為地網設計接地電阻；ρ為土壤電阻率；N為電解地極數量；k為系數，當：ρ＜200 Ω·m，k取3，200≤ρ＜500 Ω·m，k取4，500≤ρ＜1000 Ω·m，k取4.50，ρ≥1000 Ω·m，k取5。

代入數據R=0.50、ρ=129.10 Ω·m、k=3、R0=0.72 Ω·m，經上式計算得出采用該方法降阻時需新型電解地極的數量為4套。

江源水電站采用新型電解地極接地系統方案進行降阻，其實施方案為：在原江源水電站主接地網四周外空地，開挖地網溝（溝深≥0.80 m）敷設4條外延接地線（外延接地線采用-50×5的熱鍍鋅扁鋼），在外延接地線上埋設防腐電解地極，通過防腐電解地極上預留的接頭與水電站敷設的水平接地體緊固連接，再用專用回填材將電解地極均勻覆蓋，然后再用普通土回填夯實即可，站共放置新型防腐電解地極4套。

5 技術經濟比較

傳統接地網降阻方式和電解地級降阻方式在技術經濟方面存在較大的差別，二者降阻性能比較分析見表1：

表1 降阻技術經濟性能比較表

江源水電站采用傳統接地網降阻方式和電解地級降阻方式二者在投資方面的比較見表2：

表2 降阻方法投資比較表 （單位：萬元）

由表2可以看出：采用傳統擴大接地面積的方式需要投資23萬元，工期45d；采用電解地極降阻方法，投資11.17萬元，工期7d，投資僅為傳統降阻方法的48.60%。

江源水電站通過采用新型電解電極降阻措施后，竣工驗收實測接地網接地電阻為0.46 Ω，接地電阻顯著地降低到設計要求值以下，通過了相關單位的實測驗收。

6 結語

青海江源水電站降阻工程實例證明采用電解地級對水電站接地系統進行降阻改造具有以下優(yōu)點：①施工成本低，施工周期短，技術經濟性好；②電解電極的化合物無污染，是環(huán)境友好型降阻方法；③降阻效果顯著，降阻穩(wěn)定性好；④使用壽命長，運行維護方便，是一種極具工程應用價值的接地網降阻方法。

［1］寇曉.大型變電站接地網導通狀況研究［J］.電網技術，2008，32（2）：88-92.

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2017-8-15

編輯：左英勇