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三峽水利樞紐接地技術(shù)的研究論文
摘要：三峽水利樞紐工程地處花崗巖地帶，電站裝機(jī)數(shù)量多，單機(jī)容量大，500 kV發(fā)生單相接地故障時(shí)接地裝置的入地電流可達(dá)33.3 kA。按規(guī)范要求接地裝置電位不應(yīng)超過(guò)2000 V，三峽電站的接地電阻應(yīng)不超過(guò)0.06Ω。當(dāng)電站接地裝置處于等效電阻率為1000Ω·m的地區(qū)時(shí)，按估算所需接地網(wǎng)面積為70 km2，這是不可能做到的。故立題進(jìn)行研究。
關(guān)鍵詞：三峽電站 接地電阻 計(jì)算程序 電位升高
1 前言
三峽水利樞紐工程規(guī)模巨大，電站共安裝26臺(tái)單機(jī)容量700MW的水輪發(fā)電機(jī)組，在電力系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位。三峽工程的接地裝置設(shè)計(jì)能否滿足要求是關(guān)系到電站安全運(yùn)行的重大問(wèn)題。由于三峽樞紐工程地處花崗巖地帶，屬高電阻率地區(qū)。按DL/T 5091－1999《水力發(fā)電站接地設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定，大接地短路電流系統(tǒng)的水電廠接地裝置的接地電阻要滿足R≤2000/I。三峽電站網(wǎng)外發(fā)生500 kV單相接地短路故障的最大入地短路電流可達(dá)到33.3 kA，電站接地電阻應(yīng)不超過(guò)0.06 W。若電站接地裝置所在地區(qū)的等效電阻率為1 kW·m，可估算出接地裝置的面積為S = (0.5/R)2 = (0.5/0.06)2 = 69.5km2, 這是不可能的。為此，1995年提出了“九五” 國(guó)家攻關(guān)課題《三峽樞紐接地技術(shù)研究》，承擔(dān)單位有長(zhǎng)江水利委員會(huì)設(shè)計(jì)院，武漢水利電力大學(xué)(現(xiàn)武漢大學(xué))，任務(wù)是編制立體接地裝置分布、立體電阻率分布的接地電阻計(jì)算程序。若接地裝置允許電位升高超過(guò)2000V需研究該值還允許提高到多少，以及如何采取電站接地網(wǎng)的均壓、防反擊和隔離措施等。
2 三峽水利樞紐接地裝置的布置
三峽樞紐工程的各種構(gòu)筑物有大量的結(jié)構(gòu)鋼筋，在接地設(shè)計(jì)中應(yīng)充分利用樞紐建筑物的自然接地體。根據(jù)三峽樞紐的布置，接地裝置由6部分組成：
�、俅髩谓拥匮b置；
�、谧蟀峨娬窘拥匮b置；
③右岸電站接地裝置；
�、苄顾l接地裝置；
�、萦谰么l接地裝置；
⑥臨時(shí)船閘和升船機(jī)接地裝置。
2.1 大壩接地裝置
三峽大壩全長(zhǎng)約為2km，大壩上游迎水面結(jié)構(gòu)表層鋼筋網(wǎng)孔為20m×20m，作為垂直地網(wǎng)面積為239000m2。在上游庫(kù)底敷設(shè)人工接地網(wǎng)，網(wǎng)孔為50m×50m，水平地網(wǎng)面積為245000m2。
2.2 左、右岸電站接地裝置
三峽左、右岸電站接地裝置布置相同，充分利用水下鋼結(jié)構(gòu)物連成一體，鋼結(jié)構(gòu)物有：尾水護(hù)坦結(jié)構(gòu)鋼筋、尾水底板結(jié)構(gòu)鋼筋、蝸殼、錐管、進(jìn)水壓力鋼管等。在主、副廠房各樓層的底板四周還設(shè)置了接地干線，每層的電氣設(shè)備接地線就近與接地干線連接，每層樓板接地干線與垂直接地干線連成一體。避雷器接地引下線直接引至進(jìn)水壓力鋼管。布置變壓器、電抗器的82 m高程平臺(tái)和副廠房92 m高程GIS室皆利用樓板結(jié)構(gòu)鋼筋作為接地裝置。500kV GIS室敷設(shè)兩條接地銅母線，GIS設(shè)備接地線與銅母線連接，銅母線與樓板中地網(wǎng)多點(diǎn)連接。副廠房頂上的電氣設(shè)備接地裝置與副廠房頂上人工地網(wǎng)相連接。左岸電站水平接地網(wǎng)面積為28800m2，右岸電站水平接地網(wǎng)面積為36400m2。
2.3 泄水閘接地裝置
泄水閘全長(zhǎng)583m，有22個(gè)底孔、23個(gè)深孔和22個(gè)表孔。閘門槽鋼結(jié)構(gòu)與上游迎水面結(jié)構(gòu)鋼筋連接，閘門槽鋼結(jié)構(gòu)頂端與壩頂門機(jī)軌道連接，底端與泄洪壩段的深孔底板接地網(wǎng)和1～7號(hào)泄洪壩段下游護(hù)坦接地網(wǎng)連接。泄洪壩段接地網(wǎng)面積為7200m2。
2.4 永久船閘接地裝置
雙線五級(jí)船閘全長(zhǎng)1600m，將船閘的閘室底板和側(cè)墻結(jié)構(gòu)鋼筋與貫五級(jí)船閘兩側(cè)四條輸水廊道結(jié)構(gòu)鋼筋連接一體，上下游導(dǎo)航墻的表層結(jié)構(gòu)鋼筋與船閘側(cè)墻鋼筋和人字門連接一起，永久船閘接地網(wǎng)面積為316000m2。
2.5 臨時(shí)船閘和升船機(jī)接地裝置
臨時(shí)船閘為一級(jí)船閘，船閘上下游導(dǎo)航墻表層結(jié)構(gòu)鋼筋與閘室底板結(jié)構(gòu)鋼筋和人字門連接在一起。臨時(shí)船閘接地網(wǎng)面積為13300m2。利用升船機(jī)滑道將升船機(jī)蓄水槽接地網(wǎng)與金屬沉船箱連接，蓄水槽接地網(wǎng)面積為3300m2。臨時(shí)船閘接地網(wǎng)與升船機(jī)接地網(wǎng)緊鄰，將兩接地網(wǎng)連接在一起。
以上6部分接地裝置是通過(guò)大壩上游迎水面結(jié)構(gòu)表層鋼筋、貫穿整個(gè)大壩電纜廊道的接地干線、基礎(chǔ)廊道接地裝置和壩面門機(jī)軌道連接在一起的。
3 接地電阻的計(jì)算方法和程序驗(yàn)證
三峽大壩區(qū)域散流介質(zhì)分布極其復(fù)雜，電導(dǎo)特性各不相同，用常規(guī)接地計(jì)算方法無(wú)法計(jì)算分析三峽樞紐如此復(fù)雜的立體地網(wǎng)的接地參數(shù)。武漢水利電力大學(xué)采用邊界元算法對(duì)三峽樞紐接地裝置的接地參數(shù)作了數(shù)值計(jì)算和分析，編制了計(jì)算接地電阻的程序，完全在Win98/2000環(huán)境下利用面向?qū)ο蟮?2位C++開發(fā)平臺(tái)完成了三峽接地計(jì)算軟件的編制工作以及大規(guī)模的數(shù)值計(jì)算。
首先根據(jù)對(duì)三峽樞紐地質(zhì)結(jié)構(gòu)的全面分析，確定了可描述三峽大壩地區(qū)散流媒質(zhì)特性的物理模型，進(jìn)而通過(guò)對(duì)三維電流場(chǎng)位勢(shì)問(wèn)題的域內(nèi)積分方程和邊界積分方程的推導(dǎo)，建立了能有效進(jìn)行三峽接地計(jì)算的數(shù)學(xué)模型。計(jì)算中考慮了大壩上下游水位、土壤復(fù)合分層以及長(zhǎng)江河床現(xiàn)狀的影響，突出了不同散流媒質(zhì)電導(dǎo)特性的差異。利用在三峽模型基礎(chǔ)上編制的程序可以計(jì)算均勻土壤和雙層土壤中的一些簡(jiǎn)單或規(guī)則的接地體的接地電阻值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果與已有的理論或計(jì)算結(jié)果的一致性，間接地驗(yàn)證了計(jì)算公式和程序的正確性。
為了驗(yàn)證所編制的接地電阻計(jì)算程序的正確性，1997年10月24～30日在北京東辰科學(xué)技術(shù)研究所的戶外沙池進(jìn)行了兩種地網(wǎng)模型（不同尺寸的倒T型地網(wǎng)）和土壤分層（水平3層、垂直4層）的模擬試驗(yàn)，測(cè)量的接地電阻值與程序計(jì)算的接地電阻值誤差在10%以內(nèi)。1998年3月17日在武漢水利電力大學(xué)的瓊脂電解槽中（電導(dǎo)媒質(zhì)為水和瓊脂）進(jìn)行了兩種地網(wǎng)模型（L型地網(wǎng)和倒T型地網(wǎng)）和土壤分層（水平2層、垂直3層）的小比例模擬試驗(yàn)，測(cè)量的接地電阻值與程序計(jì)算的接地電阻值誤差在8%以內(nèi)。
利用計(jì)算程序?qū)笔「邏沃匏娬窘拥匮b置進(jìn)行了計(jì)算，電站接地電阻的計(jì)算值為0.3914Ω。1999年6月21日對(duì)電站接地電阻進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量采用電流電壓表任意夾角法，測(cè)得電站接地電阻為0.369～0.384Ω。測(cè)量的接地電阻值與程序計(jì)算的接地電阻值誤差為2%～6%。
4 三峽水利樞紐電阻率的選取
根據(jù)物探部門提供的電阻率資料：長(zhǎng)江水電阻率為50Ω·m；兩岸表層土壤電阻率平均為1000Ω·m；岸邊與河床深層均為花崗巖，電阻率為15000Ω·m；江底巖石的厚度為30m, 深層巖石的電阻率為22000Ω·m。按上述電阻率通過(guò)程序計(jì)算，三峽電站的接地電阻達(dá)到1.2Ω，遠(yuǎn)大于規(guī)范中0.06Ω的要求。為了獲得三峽樞紐準(zhǔn)確的電阻率原始資料，1999年3月3日對(duì)已完工的單項(xiàng)工程臨時(shí)船閘的接地電阻進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)得接地電阻為0.369Ω。然后通過(guò)計(jì)算程序的反復(fù)試計(jì)算，算出三峽樞紐電阻率的實(shí)際近似值，水電阻率50Ω·m，岸邊與河床底巖石電阻率為280Ω·m；深層巖石電阻率為4400Ω·m。說(shuō)明長(zhǎng)期浸泡在水中的巖石電阻率遠(yuǎn)低于完全干燥的巖石電阻率。
5 三峽水利樞紐接地電阻的計(jì)算
5.1 三峽電站500kV系統(tǒng)單相短路電流
三峽電站分左、右岸兩個(gè)電站，左岸電站裝機(jī)14臺(tái)，右岸裝機(jī)12臺(tái)，左岸電站比右岸電站與系統(tǒng)的聯(lián)系緊密，左岸電站的500 kV單相短路電流比右岸電站大。兩電站500 kV配電裝置為3/2接線，左、右電站間無(wú)直接的電氣連接，左、右電站的母線都分為兩段。左岸電站 500kV配電裝置的母聯(lián)斷路器合上時(shí)為一廠運(yùn)行，斷開時(shí)為二廠運(yùn)行。當(dāng)500kV系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，單相短路電流、電站和系統(tǒng)供給電流、地網(wǎng)內(nèi)和地網(wǎng)外短路的入地短路電流見表1。
5.2 三峽樞紐接地電阻的計(jì)算
由于三峽樞紐接地裝置的面積很大，同接地體材料為鋼材，具有較大的內(nèi)電感，接地網(wǎng)是個(gè)不等電位體，按等電位體的計(jì)算程序計(jì)算應(yīng)加以修正，計(jì)算的接地電阻修正系數(shù)為1.75。電站初期的運(yùn)行水位為：夏季洪水期上游水位為135m，下游水位為70m，冬季枯水期上游蓄水位為135m，下游水位為66m；電站終期的運(yùn)行水位為：夏季洪水期上游防洪水位為145m，下游水位為66m，冬季枯水期上游蓄水位為175m，下游水位為66m。根據(jù)水下接地網(wǎng)面積用程序計(jì)算得到三峽電站接地電阻值如下：
（1）初期洪水期樞紐接地電阻值為0.199Ω。
（2）初期枯水期樞紐接地電阻值為0.200Ω。
�。�3）終期洪水期樞紐接地電阻值為0.168Ω。
�。�4）終期枯水期樞紐接地電阻值為0.162Ω。
初期左岸電站分二廠運(yùn)行時(shí)，接地裝置電位升高不超過(guò)3650V；終期左岸電站分二廠運(yùn)行時(shí)，接地裝置電位升高不超過(guò)3066V。當(dāng)左岸電站為一廠運(yùn)行時(shí)，接地裝置電位升高為6660V，若要接地裝置電位升高不超過(guò)5000V，則左岸電站運(yùn)行機(jī)組不能超過(guò)11臺(tái)。最終的運(yùn)行機(jī)組臺(tái)數(shù)應(yīng)根據(jù)接地電阻的測(cè)量結(jié)果決定。
6 三峽電站地網(wǎng)電位允許升高值
按規(guī)范要求“大接地短路電流系統(tǒng)的水力發(fā)電廠接地裝置的接地電阻宜符合R≤2000/I”，即要求接地裝置的電位不宜超過(guò)2000V。這對(duì)三峽電站顯然是不現(xiàn)實(shí)的，可以提高多少？需進(jìn)行一系列的試驗(yàn)研究，關(guān)鍵是低壓裝置、控制電纜和繼電器的工頻伏秒特性。
電纜的工頻伏秒特性是比較平坦的，當(dāng)電纜的屏蔽層剝掉4cm，電纜可承受工頻電壓15kV。繼電器的工頻伏秒特性更平坦，在0～30s的范圍內(nèi)可以認(rèn)為是一條水平直線，繼電器可承受工頻電壓5.5kV。故電站接地裝置的允許電位升高到5000V應(yīng)該是容許的，只需將電纜的屏蔽層剝掉1cm就可以了。
7 三峽電站接地裝置的均壓和隔離措施
7.1 均壓措施
由于三峽電站入地電流較大，接地裝置電位較高，使接觸電位和跨步電壓增高，會(huì)危及人身安全，因此必須對(duì)高壓配電裝置的接地裝置進(jìn)行均壓設(shè)計(jì)。廠壩間副廠房82m高程布置有500kV主變壓器、并聯(lián)電抗器、避雷器等電氣設(shè)備，若利用樓板的結(jié)構(gòu)鋼筋焊成5m×5m的網(wǎng)孔，接觸系數(shù)Kj為0.048，跨步系數(shù)KK為0.3，而允許接觸系數(shù)Kj為0.071, 允許跨步系數(shù)KK為0.12，跨步電壓不滿足要求，需敷設(shè)帽檐。布置在主變壓器室樓上的500kV GIS，同樣可利用樓板結(jié)構(gòu)鋼筋焊成5m×5m的網(wǎng)孔，其接觸系數(shù)Kj為0.048, 允許接觸系數(shù)Kj為0.1。布置有高壓電氣設(shè)備的副廠房頂，由屋頂結(jié)構(gòu)鋼筋焊成5m×5m的網(wǎng)孔，其接觸系數(shù)Kj為0.048, 允許接觸系數(shù)Kj為0.071。因此應(yīng)在82m高程地網(wǎng)邊緣經(jīng)常有人出入的通道處敷設(shè)與接地網(wǎng)相連的“帽檐式”均壓帶。
此外，對(duì)于所有明敷金屬管道，都應(yīng)有多點(diǎn)良好的接地以避免對(duì)人身安全帶來(lái)的危害。
7.2 改善地網(wǎng)內(nèi)部的電位差
由于三峽樞紐地網(wǎng)較大，地網(wǎng)對(duì)角線達(dá)3500m，地網(wǎng)電位差達(dá)100％，左岸電站地網(wǎng)對(duì)角線600m，地網(wǎng)電位差也達(dá)到50％，為了減少地網(wǎng)電位差，在有可能對(duì)低壓設(shè)備產(chǎn)生較高電位差的高程上，敷設(shè)1根銅帶以減少地網(wǎng)電位差。左岸電站共敷設(shè)4條貫穿全廠的200 mm2銅帶，在副廠房82m高程下部和75.3m高程下部各敷設(shè)1條貫穿左岸電站的銅帶； GIS室樓板內(nèi)橫向敷設(shè)2條銅帶，以減小控制設(shè)備和低壓電氣設(shè)備所承受的地網(wǎng)電位差，這樣電位差可控制在5％以下。如地網(wǎng)允許電位升高到5000V, 控制設(shè)備和低壓電氣設(shè)備上的電位差也不會(huì)超過(guò)250V。不會(huì)對(duì)這些設(shè)備產(chǎn)生危害。
電站內(nèi)未安裝低壓避雷器，較低電壓等級(jí)的避雷器只有10 kV金屬氧化物避雷器，避雷器額定電壓為17.5 kV。接地裝置的電壓升高到5 kV時(shí)暫態(tài)電壓為9 kV，也不會(huì)對(duì)避雷器產(chǎn)生反擊。
7.3 轉(zhuǎn)移電位的隔離措施
三峽電站對(duì)外通信采用光纖傳輸，左、右岸電站間通信線和信號(hào)線也采用光纖傳輸。電站無(wú)低壓配電線路向電站外送電，左、右岸電站間僅有10kV廠用電有電氣聯(lián)系，而10kV電壓等級(jí)的絕緣能耐壓28kV水平。
接地裝置區(qū)域內(nèi)的金屬管道應(yīng)與接地裝置多點(diǎn)連接，以避免在廠區(qū)發(fā)生危險(xiǎn)，引出接地裝置外的金屬管道宜埋入地中引出。
8 結(jié)論
�。�1）建立了三峽電站接地電阻計(jì)算模型，采用邊界元法編制計(jì)算電站復(fù)雜接地網(wǎng)和不同散流介質(zhì)分布的接地電阻計(jì)算程序，并對(duì)計(jì)算程序進(jìn)行了一系列的驗(yàn)證試驗(yàn)，誤差在10%以內(nèi)。
�。�2）物探部門提供的三峽樞紐電阻率遠(yuǎn)高于經(jīng)在臨時(shí)船閘實(shí)測(cè)并通過(guò)計(jì)算程序試算得出的樞紐電阻率，說(shuō)明長(zhǎng)期浸泡在水中的巖石電阻率遠(yuǎn)低于完全干燥的巖石電阻率。
�。�3）通過(guò)對(duì)電纜和繼電器的工頻伏秒特性進(jìn)行試驗(yàn)，電站接地裝置的電位升高到5000V是容許的。
�。�4）三峽電站500kV系統(tǒng)在地網(wǎng)內(nèi)和地網(wǎng)外發(fā)生單相短路時(shí)，左岸電站一廠運(yùn)行時(shí)入地電流分別為20.6kA和33.3kA，二廠運(yùn)行時(shí)入地電流分別為11.27kA和18.25kA。
�。�5）利用計(jì)算程序計(jì)算得到三峽電站初期運(yùn)行水位樞紐接地電阻為0.200Ω，終期運(yùn)行水位樞紐接地電阻為0.168Ω。初期和終期左岸電站分二廠運(yùn)行時(shí)接地裝置的電位升高不超過(guò)3650V。左岸電站以一廠運(yùn)行時(shí)運(yùn)行機(jī)組不超過(guò)11臺(tái)時(shí)接地裝置電位升高不超過(guò)5000V。
�。�6）三峽接地裝置材質(zhì)為鋼材，具有內(nèi)電感，地網(wǎng)內(nèi)電位差較大。為改善地網(wǎng)內(nèi)部的電位差，可敷設(shè)幾條銅質(zhì)接地帶以減小接地鋼帶上的電位差。
參考文獻(xiàn)
[1] DL/T 5091-1999. 水力發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則[M]. 中國(guó)電力出版社, 1999, 11.
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