三峡水利枢纽接地技术的研究

　
摘要：三峡水利枢纽工程地处花岗岩地带，电站装机数量多，单机容量大，500 kV发生单相接地故障时接地装置的入地电流可达33.3 kA。按规范要求接地装置电位不应超过2000 V，三峡电站的接地电阻应不超过0.06Ω。当电站接地装置处于等效电阻率为1000Ω.m的地区时，按估算所需接地网面积为70 km2，这是不可能做到的。故立题进行研究。
关键词：三峡电站 接地电阻 计算程序 电位升高
1 前言
三峡水利枢纽工程规模巨大，电站共安装26台单机容量700MW的水轮发电机组，在电力系统中占有举足轻重的地位。三峡工程的接地装置设计能否满足要求是关系到电站安全运行的重大问题。由于三峡枢纽工程地处花岗岩地带，属高电阻率地区。按DL/T 5091－1999《水力发电站接地设计技术导则》规定，大接地短路电流系统的水电厂接地装置的接地电阻要满足R≤2000/I。三峡电站网外发生500 kV单相接地短路故障的最大入地短路电流可达到33.3 kA，电站接地电阻应不超过0.06 W。若电站接地装置所在地区的等效电阻率为1 kW.m，可估算出接地装置的面积为S = (0.5ρ/R)2 = (0.5/0.06)2 = 69.5km2, 这是不可能的。为此，1995年提出了“九五” 国家攻关课题《三峡枢纽接地技术研究》，承担单位有长江水利委员会设计院，武汉水利电力大学(现武汉大学)，任务是编制立体接地装置分布、立体电阻率分布的接地电阻计算程序。若接地装置允许电位升高超过2000V需研究该值还允许提高到多少，以及如何采取电站接地网的均压、防反击和隔离措施等。
2 三峡水利枢纽接地装置的布置
三峡枢纽工程的各种构筑物有大量的结构钢筋，在接地设计中应充分利用枢纽建筑物的自然接地体。根据三峡枢纽的布置，接地装置由6部分组成：①大坝接地装置；②左岸电站接地装置；③右岸电站接地装置；④泄水闸接地装置；⑤永久船闸接地装置；⑥临时船闸和升船机接地装置。
2.1 大坝接地装置
三峡大坝全长约为2km，大坝上游迎水面结构表层钢筋网孔为20m×20m，作为垂直地网面积为239000m2。在上游库底敷设人工接地网，网孔为50m×50m，水平地网面积为245000m2。
2.2 左、右岸电站接地装置
三峡左、右岸电站接地装置布置相同，充分利用水下钢结构物连成一体，钢结构物有：尾水护坦结构钢筋、尾水底板结构钢筋、蜗壳、锥管、进水压力钢管等。在主、副厂房各楼层的底板四周还设置了接地干线，每层的电气设备接地线就近与接地干线连接，每层楼板接地干线与垂直接地干线连成一体。避雷器接地引下线直接引至进水压力钢管。布置变压器、电抗器的82 m高程平台和副厂房92 m高程GIS室皆利用楼板结构钢筋作为接地装置。500kV GIS室敷设两条接地铜母线，GIS设备接地线与铜母线连接，铜母线与楼板中地网多点连接。副厂房顶上的电气设备接地装置与副厂房顶上人工地网相连接。左岸电站水平接地网面积为28800m2，右岸电站水平接地网面积为36400m2。
2.3 泄水闸接地装置
泄水闸全长583m，有22个底孔、23个深孔和22个表孔。闸门槽钢结构与上游迎水面结构钢筋连接，闸门槽钢结构顶端与坝顶门机轨道连接，底端与泄洪坝段的深孔底板接地网和1～7号泄洪坝段下游护坦接地网连接。泄洪坝段接地网面积为7200m2。
2.4 永久船闸接地装置
双线五级船闸全长1600m，将船闸的闸室底板和侧墙结构钢筋与贯五级船闸两侧四条输水廊道结构钢筋连接一体，上下游导航墙的表层结构钢筋与船闸侧墙钢筋和人字门连接一起，永久船闸接地网面积为316000m2。
2.5 临时船闸和升船机接地装置
临时船闸为一级船闸，船闸上下游导航墙表层结构钢筋与闸室底板结构钢筋和人字门连接在一起。临时船闸接地网面积为13300m2。利用升船机滑道将升船机蓄水槽接地网与金属沉船箱连接，蓄水槽接地网面积为3300m2。临时船闸接地网与升船机接地网紧邻，将两接地网连接在一起。
以上6部分接地装置是通过大坝上游迎水面结构表层钢筋、贯穿整个大坝电缆廊道的接地干线、基础廊道接地装置和坝面门机轨道连接在一起的。

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3 接地电阻的计算方法和程序验证
三峡大坝区域散流介质分布极其复杂，电导特性各不相同，用常规接地计算方法无法计算分析三峡枢纽如此复杂的立体地网的接地参数。武汉水利电力大学采用边界元算法对三峡枢纽接地装置的接地参数作了数值计算和分析，编制了计算接地电阻的程序，完全在Win98/2000环境下利用面向对象的32位C 开发平台完成了三峡接地计算软件的编制工作以及大规模的数值计算。
首先根据对三峡枢纽地质结构的全面分析，确定了可描述三峡大坝地区散流媒质特性的物理模型，进而通过对三维电流场位势问题的域内积分方程和边界积分方程的推导，建立了能有效进行三峡接地计算的数学模型。计算中考虑了大坝上下游水位、土壤复合分层以及长江河床现状的影响，突出了不同散流媒质电导特性的差异。利用在三峡模型基础上编制的程序可以计算均匀土壤和双层土壤中的一些简单或规则的接地体的接地电阻值，根据计算结果与已有的理论或计算结果的一致性，间接地验证了计算公式和程序的正确性。
为了验证所编制的接地电阻计算程序的正确性，1997年10月24～30日在北京东辰科学技术研究所的户外沙池进行了两种地网模型（不同尺寸的倒T型地网）和土壤分层（水平3层、垂直4层）的模拟试验，测量的接地电阻值与程序计算的接地电阻值误差在10%以内。1998年3月17日在武汉水利电力大学的琼脂电解槽中（电导媒质为水和琼脂）进行了两种地网模型（L型地网和倒T型地网）和土壤分层（水平2层、垂直3层）的小比例模拟试验，测量的接地电阻值与程序计算的接地电阻值误差在8%以内。
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