海外高土壤電阻率地區(qū)火電廠接地方案研究

周正一

(中國華電工程(集團(tuán))有限公司，北京 100160)

1 電廠概況

柬埔寨某2×60 MW燃煤電廠所在地原始地貌多為白色至灰色的軟地層表土，偶爾有褐色的粉砂或含黏土粉砂，與不同厚度的沙石巖床重疊，電廠南部的小溪河床主要由巖石構(gòu)成，因此廠址區(qū)域的土壤電阻率整體很高。而該設(shè)計(jì)采購施工(EPC)總承包工程合同要求，在故障電流持續(xù)時(shí)間為1s、230kV側(cè)三相短路電流為31.5 kA以及人體質(zhì)量為50 kg的條件下，分別按照IEEE標(biāo)準(zhǔn)校核計(jì)算跨步電壓和接觸電勢(shì)允許值，并要求全廠接地電阻小于0.5Ω。

2 主要研究內(nèi)容

對(duì)該廠廠址地質(zhì)條件、當(dāng)?shù)刭Y源及IEEE規(guī)范進(jìn)行研究，提出經(jīng)濟(jì)、合理的解決方案。

2.1 廠址土壤電阻率的測(cè)量

首先測(cè)定全廠土壤電阻率，全廠共設(shè)置了134個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分布情況見表1。

表1 廠址建筑地段測(cè)點(diǎn)數(shù)分布 個(gè)

核心地段為A列至升壓站，該地段共布置20個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)及位置如圖1所示。

該地段分為Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ3個(gè)電性分區(qū)，各電性分區(qū)電阻率如下。

(1)Ⅰ區(qū):不同深度的電性層電阻率解釋值分別為 420，950，380 Ω·m。

(2)Ⅲ區(qū):該區(qū)域的電阻率曲線形態(tài)各異，但電阻率總體較高。

圖1 A列至升壓站測(cè)點(diǎn)編號(hào)及位置分布

(3)Ⅳ區(qū):該電性區(qū)域?yàn)閳?chǎng)地平整時(shí)的剝離地段，中風(fēng)化巖石出露于地表，很多地方測(cè)定電極難以釘入地下，電阻率高。

由測(cè)量結(jié)果可知，在水平接地體(－0.6 m)和垂直接地體(－3.0 m)區(qū)間，Ⅳ區(qū)和Ⅲ區(qū)土壤電阻率達(dá)1050 Ω·m以上，Ⅰ區(qū)達(dá)420 Ω·m以上。從全廠范圍來說，場(chǎng)平標(biāo)高－3.0 m以內(nèi)原始平整后的土壤電阻率都在1050 Ω·m左右，所以1050 Ω·m將作為全廠接地電阻分析計(jì)算的重要基本值。

2.2 全廠接地網(wǎng)最初設(shè)計(jì)

依據(jù)1050 Ω·m的土壤電阻率，按規(guī)程允許的范圍，在開關(guān)站和主廠房區(qū)域布置盡可能多的水平和垂直接地體，同時(shí)假設(shè)水平接地體周圍都換填80 Ω·m的低電阻率土壤。根據(jù)IEEE 80—2000《交流變電站接地安全指南》可得到接地網(wǎng)接地電阻［1］

式中:LT為接地系統(tǒng)導(dǎo)體總長度，8800 m;ρg為接地溝內(nèi)等效土壤電阻率，207 Ω·m;A為接地網(wǎng)占地面積，39000 m2;h 為埋深，0.6 m。

通過計(jì)算可得 Rg=0.489 Ω。

EPC合同要求接地電阻應(yīng)小于0.5 Ω，因此接地網(wǎng)電阻滿足合同要求。

2.3 設(shè)計(jì)存在的問題

上述設(shè)計(jì)方案似乎已經(jīng)解決了該工程的接地電阻問題，但實(shí)際并非如此。

(1)如果全廠都按水平接地體的長度置換80 Ω·m的低電阻率土壤，共需要8200 m3的土壤，一部載質(zhì)量為20 t的翻斗車需要拉550趟以上，運(yùn)輸距離約5 km。廠址附近可用土壤的電阻率多為100～200 Ω·m，廠址附近10 km范圍內(nèi)無法找到足夠多的低電阻率土壤。

(2)接地網(wǎng)格中大量的回填土極易使廠區(qū)地面沉降不均。

(3)開挖大量的原土需要二次搬運(yùn)，沿水平接地線回填1000 mm×1000 mm低電阻率的土壤再夯實(shí)也非常費(fèi)勞力，無法大規(guī)模使用工程機(jī)械。

(4)這樣處理后開關(guān)站表面的原土土壤電阻率還是很高，接觸電勢(shì)還是很難滿足要求。

2.4 解決問題的思路

(1)在火電廠的施工過程中，汽機(jī)房和鍋爐房有大量的基礎(chǔ)需要開挖，回填時(shí)盡可能回填泥土或沙土，不允許用原土回填。雖然這些泥土和沙土的土壤電阻率只有 100～200 Ω·m，遠(yuǎn)達(dá)不到 80 Ω·m，但已經(jīng)比原土好很多了，而且廠址周圍很容易收集到。

(2)主廠房A排外主變壓器、230 kV開關(guān)站區(qū)域是接地電阻、跨步電壓和接觸電勢(shì)的考核區(qū)域，其設(shè)備基礎(chǔ)也需要爆破開挖至－3 m以下。如果能在回填時(shí)考慮更低電阻率的土壤，可以用極小的代價(jià)解決所有問題。因此，回填時(shí)要求施工方篩選更好的土壤，電阻率大約都在100 Ω·m左右，原來開挖出的土石一律置換掉。置換土壤后開關(guān)站的土壤平均電阻率為123.05 Ω·m。

(3)根據(jù)廠址巖土工程勘測(cè)報(bào)告，該區(qū)域地下水有孔隙水和基巖裂隙水。上部水屬于上層滯水，主建筑物地段水位標(biāo)高一般在2.05～4.60 m，雨季水位還會(huì)有所上升。因此大型設(shè)備的基礎(chǔ)和高大建筑物的構(gòu)架基礎(chǔ)是良好的接地體，可以充分利用。

(4)該項(xiàng)目所在地正好有一個(gè)卸煤碼頭，海上引橋長近480 m，可利用海上引橋和碼頭柱子的鋼筋與廠區(qū)接地網(wǎng)相聯(lián)。

最后測(cè)得全廠接地電阻為 0.14～0.23 Ω，滿足EPC合同要求。本文后續(xù)計(jì)算中，接地電阻Rg取保守值 0.272 Ω。

2.5 跨步電壓和接觸電勢(shì)校驗(yàn)

目前已施工的升壓站至主廠房A列外接地網(wǎng)區(qū)域?yàn)殚L方形接地網(wǎng)，在原土層表面鋪設(shè)0.1 m厚的碎石，接地導(dǎo)體埋深0.6 m。

2.5.1 跨步電壓及接觸電勢(shì)允許值

衰減系數(shù)［1］

式中:ρ為土壤電阻率，123.05 Ω·m;ρs為表層土壤電阻率，10000 Ω·m;hs為表層厚度，0.1 m。

通過計(jì)算可得Cs=0.6935。

由此得到跨步電壓與接觸電勢(shì)允許值為

式中:ts為接觸時(shí)間，1 s。

通過計(jì)算可得 Estep50=4942.76 V，Etouch50=1322.69 V。

良好的經(jīng)典誦讀活動(dòng)，離不開科學(xué)的誦讀指導(dǎo)，可以避免學(xué)生在整個(gè)誦讀過程中出現(xiàn)不良習(xí)慣。誦讀的總體要求是讀音要準(zhǔn)、停頓恰當(dāng)、重音合理、感情氣勢(shì)、整體理解、篇篇誦讀、認(rèn)真思考、仔細(xì)記憶。此外，在整個(gè)誦讀指導(dǎo)中，教師還要做到因人而異、因材施教，對(duì)于一些誦讀基礎(chǔ)差的學(xué)生，要重視經(jīng)典誦讀的“循序漸進(jìn)”，不能“揠苗助長”，機(jī)械化地開展誦讀活動(dòng)。

2.5.2 最大入地電流和對(duì)地電位

最大入地電流

式中:3I0為系統(tǒng)三相短路電流，31.5 kA;Df為衰減系數(shù)，1;Sf為分裂系數(shù)，0.7。

通過計(jì)算可得IG=22.05 kA。

對(duì)地電位=IGRg=5997.6 V。

由于對(duì)地電位5997.6 V遠(yuǎn)大于接觸電勢(shì)允許值1322.69 V，所以需要進(jìn)一步計(jì)算。

2.5.3 接觸電勢(shì)

式中:Km，Ki為系數(shù)，Km=0.77，Ki=2.79;Lx為接地網(wǎng)長度，140 m;Ly為接地網(wǎng)寬度，130 m;Lc為水平接地體總長度，3920m;Lr為單根垂直接地極長度，2.4 m;LR為垂直接地體的總長度，504 m。

通過計(jì)算可得Em=1244.275 V。

2.5.4 跨步電壓

式中:Ks為系數(shù)，0.33;Ls=0.75Lc+0.85LR=3368.4m。

通過計(jì)算可得Es=741.625V。

2.5.5 接觸電勢(shì)、跨步電壓與允許值的比較

計(jì)算所得接觸電勢(shì)Em為1244.275 V，接觸電勢(shì)允許值Etouch50為1322.69 V，網(wǎng)格電壓小于接觸電勢(shì)允許值，滿足要求。

計(jì)算所得跨步電壓Es為741.625 V，跨步電壓允許值Estep50為4942.76 V，跨步電壓計(jì)算值小于允許值，滿足要求。

3 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)

(1)增加水平和垂直接地體的密度。

(2)利用所有的大型基礎(chǔ)作為接地體，幾乎沒有增加費(fèi)用。

(3)全廠基礎(chǔ)開挖后，爆破出來的石料禁止用于回填，另外找泥土回填，開關(guān)站等重點(diǎn)區(qū)域選用電阻率更低的黏土;爆破出來的石料用作海堤護(hù)岸或道路的基礎(chǔ)，節(jié)省大量購買石料的費(fèi)用。

4 結(jié)論

海外EPC工程條件遠(yuǎn)比國內(nèi)苛刻，特別強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)值計(jì)算過程，但高土壤電阻率地區(qū)的接地設(shè)計(jì)恰恰無法用一個(gè)準(zhǔn)確的模型來量化，需要實(shí)際工程驗(yàn)證后再完善修改，是一個(gè)迭代的過程。解決問題的關(guān)鍵是充分論證后，在全廠基礎(chǔ)開挖前就進(jìn)行方案比較和論證，統(tǒng)籌考慮基礎(chǔ)處理方案、回填方案和資源的綜合利用，并充分考慮廠址地質(zhì)和地貌的特點(diǎn)，而不能僅僅考慮接地問題。

［1］IEEE 80—2000交流變電站接地安全指南［S］.