2×600 MW机组电厂电解离子接地系统的分析和研究

刘 勇

(深圳市科锐技术有限公司, 广东 深圳 518001)

0 引 言

资料表明,国内外近年由于接地不良引起发电厂升压站保护设备动作跳闸的情况时有发生,在高土壤电阻率地区接地系统的降阻一直都是个难题。虽然爆破接地技术、深井接地技术、斜接地极技术已在许多高土壤电阻率地区的接地系统中取得显著成效,但也受到施工场地和接地系统工程总体造价等因素的限制。

本文结合贵州塘寨电厂山地高土壤电阻率的现场地质情况,提出电厂电解离子接地方案,主要是解决发电厂接地短路故障及雷电发生时形成的跨步电压、接触电压在设备和工作人员的安全范围内。

1 降阻措施比较

2 电厂电阻值要求

电厂电阻值要求如下:

(1) 制氢站区域,土壤电阻率为1 062 Ω·m,常规方法施工的接地阻值为60 Ω,需降至<10 Ω。

(2) 燃油泵房区域,土壤电阻率为3 306 Ω·m,常规方法施工的接地阻值为185 Ω,需降至<10 Ω。

(3) 烟囱区域,土壤电阻率为5 283 Ω·m,常规方法施工的接地阻值为109.9 Ω,需降至<10 Ω。

(4) 冷却塔区域,土壤电阻率为4 650 Ω·m,常规方法施工的接地阻值为37.2 Ω,需降至<10 Ω。

(5) 220 kV屋外配电装置继电保护楼区域和主厂房、集控楼及除灰除尘控制楼区域共用接地网,土壤电阻率分别为1 062 Ω·m和7 190 Ω·m,常规方法施工的接地阻值分别为4.829 Ω和20.55 Ω,需降至<0.8 Ω。

(6) 输煤系统及输煤综合楼区域,土壤电阻率为3 268 Ω·m,常规方法施工的接地阻值为9.434 Ω,需降至<0.8 Ω。

(7) 在水处理系统区域,土壤电阻率为3 306 Ω·m,常规方法施工的接地阻值为11.929 Ω,需降至<0.8 Ω。

3 接触电压和跨步电压的计算

因受地址条件影响,地网电阻值已适当放宽。为保证设备及人身安全,需对站场内的跨步电压和接触电压进行校验。依据DL/T 621—1997《交流电气装置的接地》中推荐跨步电压和接触电位的公式进行计算。

3.1 地面跨步电压的计算

当选用垂直接地体时,考虑接地体之间的间距及现场实际情况,接地装置电位为

Ug=IRg

(1)

式中:I——入地短路电流,取24 kA;

Rg——接地电阻,取0.5 Ω。

经计算,接地装置电位Ug=12 000 V。

根据DL/T 621—1997附录B,最大跨步电压为

Usmax=KsmaxUg

(2)

式中:Ksmax——最大跨步电压系数;

Ug——接地装置电位,取12 000 V。

Ksmax可按下式计算:

(3)

式中:h——接地体埋深,取1.2 m;

T——跨步距离,一般取0.8 m;

d——接地体的直径,取0.3/2=0.15 m;

L——水平接地体长度,取5 040 m;

L0——接地网水平外缘周长,取1 440 m;

S——接地网面积,取129 600 m2。

将以上数据代入公式,可以得Ksmax=0.040 6,因此Usmax=487.2 V。

根据DL/T 621—1997《交流电气装置的接地》第3.4条,发电厂、变电所接地装置跨步电压不应超过511 V。经以上计算得出的跨步电压为487.2 V(在跨步电压所允许的511 V之内),所以对行人是安全的。

3.2 接触电压的计算

接触电位差是指接地短路(故障)电流流过接地装置时,大地表面形成分布电位,在地面上离设备水平距离为0.8 m处与设备外壳、架构或墙壁离地面的垂直距离1.8 m处两点间的电位差,也称为接触电压[4-6]。

根据DL/T 621—1997《交流电气装置的接地》附录B,接触电压为

Utmax=KtmaxUg

(7)

式中:Ktmax——最大接触电压系数。

计算得出Ktmax=0.143 2,因此Utmax=1 718.4 V。

根据DL/T 621—1997《交流电气装置的接地》第3.4条,发电厂、变电所接地装置接触电位差(接触电压)不应超过511 V。

经以上计算得出,接触电压为1 718.4 V(不在接触电压所允许的511 V之内),需要在安装设备的地面上铺设土壤电阻率高的砾石或沥青。

4 接地系统设计

4.1 现场土壤情况分析

电厂周围缺乏回填土壤,完全采用碎石回填。该工程所在地西部可施工面积约为129 600 m2;含土层平均厚度为0.4～1.2 m;由于厂区覆土厚度一般不超过2 m,开挖、回填后覆土层基本被破坏。土壤电阻率变化大(1 062～7 190 Ω·m),采用常规接地网的施工方法和接地材料进行设计、施工,很难满足220 kV屋外配电装置继电保护装置、主厂房、集控楼及除灰除尘控制楼设备、输煤系统及输煤综合楼以及水处理等系统设备对接地电阻值的要求。故采用新型接地材料和施工方法进行设计、施工。

4.2 接地系统的设计

接地系统降阻的优化设计:电厂水处理系统区域约为200×96 m2,土壤电阻率为3 306 Ω·m;假如采用常规的降阻方法,则需将主厂房、集控楼及除灰除尘控制楼区域的接地网面积扩大数百倍,才能使阻值≤0.8 Ω。结合上述因数和厂区需爆破表层5～10 m深做基础等有利情况,设计采用:利用水平接地网、采取与自然接地体连接、采用新型接地材料电解离子接地棒、局部换土、填充降阻剂等以改善土壤传导性能等降阻措施进行降阻设计。

4.3 离子棒的用量计算

单根离子接地极计算式:

(8)

复合地网的电阻计算公式:

(9)

经计算(计算过程略),220 kV屋外配电装置和继电保护楼和主厂房、集控楼、除灰除尘控制楼处,需63根5 m基坑安装3 m电解离子接地棒与常规方法施工的接地装置组合,能将该区域接地系统的阻值降至≤0.8 Ω;水处理系统区域,需设置60根5 m基坑安装3 m电解离子接地棒与常规方法施工的接地装置组合,能将该区域接地系统的阻值降至≤0.8 Ω;输煤系统区域,需设置50根5 m基坑安装3 m电解离子接地棒与常规方法施工的接地装置组合,能将该区域接地系统的阻值降至≤0.8 Ω;制氢站区域,需设置4根5 m基坑安装3 m电解离子接地棒与常规方法施工的接地装置组合,能将该区域接地系统的阻值降至≤10 Ω;燃油泵房区域,需设置4根5 m基坑安装3 m电解离子接地棒与常规方法施工的接地装置组合[7-8],能将该区域接地系统的阻值降至≤10 Ω;烟囱区域,需设置5根5 m基坑安装3 m电解离子接地棒与常规方法施工的接地装置组合,能将该区域接地系统的阻值降至≤10 Ω。

5 使用效果

贵州塘寨电厂离子接地网系统工程于2012年完工。由于最初设计的水平地网与主地网(考虑跨步电压和接触电压的地网)有重叠的部分,故在现场安装时离子棒和水平接地极的数量有所调整。经过两年多的施工,最终验收测试阻值为0.7 Ω,达到规定的设计标准(0.8 Ω)。

6 结 语

贵州塘寨电厂采用哪种降阻方法应根据现场实际情况而定,利于进一步降低接地装置电阻值和接触电压、跨步电压,在高土壤电阻率地区,放宽接地电阻上限值与降低跨步电压和接触电压相结合,随时调整降阻措施和施工工艺,降低工程总造价,达到技术经济综合优化。