喀麦隆曼维莱水电站工程接地系统设计

喀麦隆曼维莱水电站工程接地系统设计

李青程晓坤

(中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222)

摘要：喀麦隆曼维莱水电站接地系统设计在故障分流、导体建模、土壤分析、接地网建模、安全性校验等方面全面采用了CDEGS软件进行建模仿真计算，计算结果与实测结果基本吻合，获得了国外工程师的一致认可，并为工程节省了接地材料，创造了实际价值。

关键词：曼维莱水电站接地系统建模计算CDEGS

1概述

曼维莱水电站位于喀麦隆南部紧邻赤道几内亚的恩特姆河上，地处热带丛林地区，距首都雅温得约340公里，曼维莱水电站采用引水径流式开发，电站安装4台立轴混流式水轮发电机组，总装机容量211MW。电站主要水工建筑物包括拦河坝、左岸及右岸溢洪道、左岸引水发电系统等。

厂区接地系统由厂房、尾水、开关站、电站进水口、前池、水厂及泵房接地网相互连接组成了一个整体的接地系统。水平接地导体采用60×8镀锌扁钢，垂直接地体采用∠63×63×8mm镀锌角钢。

2接地故障短路及其分流计算

对于发电厂和变电站接地系统设计，故障电流分析是基础和必要条件。故障电流的型式、量级、大小和分流情况都对后续的接地网设计、导体选择、接触电势及跨步电势的校验产生很大影响。

但对于大型电站及变电站，接地总故障电流可以达到十几kA甚至几十kA，若单纯据此进行接地网设计，将造成极大的接地导体浪费，甚至根本无法满足安全性校验。而实际情况是，大部分接地故障电流往往都通过架空地线分流至远离故障点的区域或通过接地导体回流至变压器中性点，而实际由接地网流入大地的入地电流往往都保持在合理范围之内。因此，对故障电流分流进行合理的分析对于接地网设计很有必要。

曼维莱水电站采用CDEGS软件进行了架空避雷线分流计算，如图1所示，计算前需对铁塔进行数学建模以确定导地线空间分布，并输入线路平均档距、铁塔数量、变电站及铁塔典型接地电阻值、地线相关参数等信息。

图1分流计算网络参数输入

根据曼维莱水电站单相接地故障短路电流计算结果，总单相故障电流为7.02kA，其中由系统提供的短路电流为4.39kA，经计算，通过避雷线回流的电流为2.338kA，入地电流为2.052kA，实际仅占总故障电流的29.2%。

3采用CDEGS软件进行建模仿真计算

CDEGS软件是由被世界公认、堪称权威的加拿大SES公司历经十余年开发而成的，它可以计算任意分层土壤的和任意形状地网的参数，可以解决电力系统接地、电磁场和电磁干扰及阴极保护等问题。

3.1土壤建模

CDEGS软件采用IEEE80std推荐的分析方法对现场土壤电阻率测量结果进行分析及拟合，在软件中输入土壤电阻率测量原始数据，在对比了测量单位根据国标给出的拟合结果后，得出的曼维莱水电站厂区及开关站区域土壤分层情况为，厂房区域土壤分为上中下三层，电阻率分别为625Ω?m（对应深度49m）、13601Ω?m（对应深度79m）、42442Ω?m（对应深度220m）；开关站区域土壤分为上下两层，电阻率分别为625Ω?m（对应深度18m）、5490Ω?m（对应深度82m）；恩特姆河水电阻率为716Ω?m（对应深度50m）。可以看到，曼维莱电站深层土壤电阻率很高，这对接地设计造成了很大难度。

3.2导体截面选择

根据曼维莱水电站业主要求，电站接地导体采用镀锌钢材。接地导体截面的选择首先需要满足导体通过短路电流时的热稳定校验，其中短路电流值直接引用工程计算出的单相或两相接地故障电流，本工程为7.02kA。而校验热效应的计算时间为继电保护装置动作时间加断路器全分闸时间，其中继电保护动作时间包括主保护动作时间及断路器失灵保护动作时间，一般计算时间不超过1s。

对于计算方法，国标及美标算法不同，但根据计算结果来看，相差不大，国标计算结果更加保守，但要注意的是，无论是美标中的Kf值还是国标中的C值，均是对材料耐热能力体现，以钢材为例，美标中镀锌钢的Kf值为28.96，国标中钢材的C值为70。对于本电站，根据IEEE-80中11.3.1.2小节公式（42）可得Akcmil=203.3kcmil=103.1mm2，根据GB50065中的附录E公式可得Sg=100.3mm2。

根据上述计算结果可知，无论采用国标还是美标，热稳定计算要求截面相差不大，采用60×8镀锌扁钢截面为480mm2，裕量很大。因此采用60×8镀锌扁钢主要是考虑导体腐蚀因素，根据国标推荐的镀锌扁钢年腐蚀率为0.065mm/a，按30年使用寿命考虑，50年后导体平均腐蚀厚度为约为3mm，即所剩导体尺寸为60×5,，仍能满足热稳定校验要求，但导体的腐蚀并按非理想的平均腐蚀状态进行，而多为局部腐蚀，且腐蚀速度极不均匀，甚至出现局部加速腐蚀锈断的情况，这在实际工程中屡见不鲜，因此不宜轻易减小导体尺寸尤其是导体厚度。

3.3工频电阻计算

曼维莱水电站通过CDEGS软件对接地网进行建模并进行计算。如图3所示，CDEGS软件可直接将CAD中的接地网模型直接导入，以获得最直接最精确的接地网模型，在经过软件内一些处理后。接地网建模如图3所示：

图2接地网及土壤模型（三维）

软件最终计算结果为接地电阻值为1.6Ω，地电位升为3329V。

曼维莱水电站在土壤电阻率非常高的情况下没有一味的追求降低接地电阻，将总接地电阻降至1.6Ω，地电位升控制在5kV以内，在满足规范要求的前提下有效的节约了接地导体的使用。

3.4接地网安全性校验

水电站内开关站及主变区域是高压侧接地故障的多发地，也是人员经常活动的区域，因此这两个区域需要铺设接地均压网，以满足人身安全性要求。曼维莱水电站在这两个区域均铺设了等间距均压网，利用CDEGS软件对该工程开关站及厂房区域均压网进行接触电势及跨步电势的验算，可生成二维及三维的电势分布图，过程简便，结果直观，计算结果为：接触电势327.447V＜允许值537V，跨步电势52.116V＜允许值1810V，满足安全性要求。

3.5存在的问题及探讨

尽管利用了CDEGS软件进行建模仿真计算，但在接地网设计过程中仍有些问题值得探讨，例如厂房户外主变平台通常为混凝土地面，雨季室外的表层湿混凝土土壤电阻率非常低，可至21Ωm，这导致接触电势及跨步电势允许值大幅降低，对主变平台的人身安全造成了较大的隐患，是否需要在主变平台大面积铺设沥青或碎石值得思考。另外通过软件模拟发现，当故障点处于整个地网的不同位置时，接地电阻值也不同，对于水电站这种超大型接地网，变化范围会非常大，另外接地网形状对接地电阻影响也非常大，因此如何布置接地网以更加有效的利用接地导体也需要我们深入探讨。

4结语

喀麦隆曼维莱水电站通过CDEGS软件辅助完成了接地系统设计，相比于传统手工计算，软件计算简便快捷、结果精确直观、说服力强，对于国外工程的图纸及报告审批非常有利，也得到了国外咨询工程师的一致认可。工程接地网目前已经施工完成并进行了接地电阻测量，测量结果与软件计算结果基本吻合，在满足规范的前提下节省了大量的接地材料，为工程创造了实际价值。