第39卷增刊2 水电姑私电技术Vol.39No.S2
42 2016 年 12 月M echanical&Electrical Technique of Hydropower Station D ec.2016
辛杨，吴胜，邓双学，王小兵，徐立佳
(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014)
摘要：利用C D E G S软件平台，采用复合土壤模型对黑麋峰抽水蓄能电站接地网进行建模计算。并将计算结果与分 层土壤模型计算值、实测值进行对比分析，证明复合土壤模型更适合于抽水蓄能电站水库接地网设计计算。
关键词：复合土壤模型；CDEGS软件；接地电阻；抽水蓄能电站
中图分类号:T M862 文献标识码:A文章编号：1672-5387(2016)S2-0042-03
D0I：10.13599/jki.11 -5130.2016.S2.014
1引言
目前一般发、变电站的接地设计大多采用分层 土壤模型进行设计，双层土壤中的接地计算受到了 国内外的广泛重视，得到许多近似解析公式和数值 计算结果。水电站接地网相比变电站接地网而言，敷 设范围较广，涉及土壤电阻率较多，并且有较大的埋 深。尤其是抽水蓄能电站接地网由上下水库接地网、开关站及主厂房接地网、引水隧洞接地网等组成，接 地网面积较常规水电站大，上下水库土壤电阻率组 成形式复杂。如果采用双层土壤模型对抽水蓄能电 站进行接地计算分析，误差较大。因此，复合土壤模 型的引进，为水电站接地网设计带来了新的发展。由于近年来黑麋峰抽水蓄能电站接地电阻有增大的趋 势，国网新源控股黑麋峰公司计划对接地网进行改 造。本文结合复合土壤模型，采用CDEGS软件对黑 麋峰抽水蓄能电站接地网进行复核计算。将仿真计 算结果与实测值进行对比分析，验证复合土壤模型 计算精度，并将成果应用于黑麋峰抽水蓄能电站接 地网改造项目。
2接地土壤模型简介
2.1均匀土壤模型
均匀模型假定大地土壤电阻率都是一致的，如 图l a所示。均勻土壤模型与实际情况不相符，但该 模型计算简便，容易了解地网尺寸、埋深等参数对接 地体接地电阻、跨步电势和接触电势的影响。目前，在;^水力发电厂接地网设计中已很少采用该模型。
当地网敷设在水中或地网所在大地一定深处地质较复杂时，大地结构可由水平双层或三层模型来 表示
大胆的爱小心的偷(图lb)。这种土壤模型较单层更接近实际，目前已有较成熟的算法。水平分层土壤模型忽略了边 坡散流的问题，不适用于水电站水库接地网建模计 算。一般对于在山脚下、海边、湖边以及地质断裂带 等处布置的接地体可按垂直双层土壤模型进行处 理。但垂直多层土壤模型(图lc)忽略了水库河床散 流作用，对于埋设在水底的接地网计算，该模型仿真 计算结果误差较大。
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[斗、
a b c
图1均匀及分层土壤模型示意图
(a均勻模型,b7jC平多层模型,c垂直多层模型）
2.2复合土壤模型(任意非均质有限块）
为了满足不同工程的接地网设计需求，CDEGS 开发了复合土壤模型即任意非均质有限块模型，如 图
2所示。该模型可以任意设置不同土壤电阻率的 多边形块，采用自适应分割法进行仿真。该模型综合 了水平分层和垂直分层土壤模型的优点，可以很好 的解决水电站水库接地网边坡和河床的散流问题。尤其是在含有上水库和下水库的抽水蓄能电站接地 设计中，7JC库中接地网的接地电阻大小直接影响抽 水蓄能电站总接地电阻大小。如果忽略水和两岸土 壤电阻率的差异将河道宽视为无穷大而按水平双层收稿日期：2016-11-16
作者简介：辛杨(1987-)，男，工程师，从事水力发电站电气设计工
作
。
增刊2辛杨，等：基于复合土壤模型的抽水蓄能电站接地电阻计算43
结构计算，或者忽略水和河床以下土壤电阻率的差 异将河床深视为无穷大而按垂直三层结构计算，都 不符合实际情况，会因计算模型过于粗略而带来极 大的误差。因为，7JC库土壤模型的精确度直接影响抽 水蓄能电站接地网设计的精确度。所以，本文采用复 合土壤模型对黑麋峰抽水蓄能电站接地网接地电阻 进行复核计算。
Earth surface
图2复合土壤模型
3黑麋峰抽水蓄能电站接地计算模型
3.1接地网简介
黑麋峰抽水蓄能电站接地网分4部分,g卩：上水库进出水口及引水系统接地网、洞内接地网(包括主 厂房、主变洞、母线洞、高压电缆洞）、洞外接地网(包 括500 kV开关站、中控楼)、下库进出水口及尾水接 地网。该接地网最大对角线距离为1680 m。主厂房、上、下库地网采用50 mm X5 mm规格扁铁敷设，厂 区和厂内为一总体。接地总体布置图如图3所示。
针对前面提到的采用复合土壤模型进行抽水蓄 能电站接地计算，对电站的复合模型进行适当的简 化，忽略土壤深层的分层结构，忽略水位差对电阻值 的影响。因此，上水库及下水库散流媒质特性的
物理 模型分成7个非均质有限块，分别为上层空气块、左 右两岸土壤块、左右两岸山体土壤块、库水块、库底 土壤块，如图4所示。
图4上水库及下水库复合土壤模型
空气的厚度为无限厚度，其他非均质有限块物理参数如表1所示。
表1土壤模型输入参数
序号项目输人值
1河床深度30 m
2河水深度20 m
3河床宽度138 m
4近山河岸角度45°
5远山河岸角度45°
6山顶高度290 m
7山坡角度13°
根据黑麋峰物探报告，土壤电阻率如表2所示。
表2 土壤电阻率一览表
序号模块土壤电阻率值
/n•m 1空气 1 x1018
2水70
3边坡200
4库底土壤500
5山体1000
主厂房、引水隧洞采用均匀土壤模型，其中主厂 房底板和引水隧道土壤电阻率值为250 n-m。
3.3接地网模型
根据黑麋峰接地总布置，上水库水底接地网面 积为80 m x200 m，均压带根数为4 x7。下水库水底 接地网面积约为110 m X150 m，均压带根数为9 X 4。GIS及出线平台接地网面积为92 m x32 m，均压 带根数为9 x3。输水隧洞长度约为800 m。接地导体 选择钢材，相对电阻率为10，相对磁导率为636，等 效半径为8.9 mm。输入接地导体高程数据，将接地 网三维数据导人进CDEGS，嵌人在复合土壤模型 中。导人后的上下水库接地网如图5所示。
上库接地网
4接地计算结果及分析
黑麋峰抽水蓄能电站单相人地电流为10 kA，人地点选择GIS及出线平台接地网。采用复合土壤 模型计算的接地电阻为0.31 11。
在黑麋峰电站施工设计阶段，囿于土壤模型剖 分算法，彼时采用了分层土壤模型进行设计计算，计 算值为0.2 f t。在接地网施工完成后，实测接地电阻 值为0.32 11。三者结果对比分析，如表3所示。
(下转第49
页）
增刊2郑建兴，等：黑麋峰抽水蓄能电站机组甩负荷试验反演预测及主要特性分析49
图13机组甩负荷试验压力和转速极值发生特征图
2)从本电站水栗水轮机四象限特性曲线分析，运 行范围内水轮机制动工况各导叶开度下均存在明显 的“S”特性，图14示出了机组甩75 %负荷试验时水 泵水轮机四象限特性曲线轨迹图。从图14可以看 出，机组甩负荷试验导叶延时10 s关闭过程中，均 需经过水轮机制动工况“S”区域，这使得机组甩负荷 时压力脉动幅值较大，且贯穿着球阀进口、蜗壳、转轮 与导叶间、转轮与顶盖间、尾水管进口等主要部位。
—特性曲线
一甩75%负荷
■75%-7s被告山杠爷
■75%-8s
■»-75%-6. 5s
■75%-7. 5s西工大
-A-75%-3s
-A-75%-3. 5s
^A-75%-4s
图14机组甩负荷试验时水栗水轮机四象限特注曲线轨迹图
6结语
经过对①、②水力单元全厂4台机组历次甩负荷试验及球阀动水关闭试验对比分析，认为测试数 据是可靠的，能够真实的反映各部位压力及压力脉 动幅值变化情况；经过对历次甩负荷试验数据的反 演分析，求得的均值压力及变化趋势与水力过渡过 程复核计算预测的均值压力及变化趋势基本吻合。
通过将经验模态分析法成功应用于黑麋峰抽水 蓄能电站机组甩负荷试验研究中，并形成了一套完 整的、适用于抽水蓄能机组调试试验的反演分析及 预测计算方法。通过水力过渡过程复核计算、机组甩 负荷试验反演分析和准确预测，圆满完成了同一流 道双机同时甩100 %负荷试验，各主要部位实测压 力极值和控制工况预测压力极值等均能满足调节保 证控制值的要求，机组及输水系统具备了全水头段 满负荷运行的条件。该项研究成果还为类似抽水蓄 能机组甩负荷试验反演及预测分析提供了新的思路 和方法，对抽水蓄能机组的设计选型、水力过渡过程 计算及控制标准的确定均具有借鉴意义，并有利于 推动我国抽水蓄能机组国产化进程及相关标准规范 体系的建设和完善。
参考文献：海泡石纤维
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溶液的形成(上接第43页）
表3接地电阻计算结果分析
序号算法接地电阻值/n与实测值对比偏差计算时间1分层土壤模型0.2 3.8%30 min 2复合土壤模型0.31 3.1 %120 min 3实测0.32//
由表3可知，复合土壤模型计算精度较分层土
壤模型高，与实测值差别较小。但二者计算结果均 在±5%合理偏差范围内。由于抽水蓄能电站包含 上下水库多个复合土壤模型，其边界复杂，剖面边界 上的面单元数数量庞大，在配置较低的计算机上运 算时间很长。因此，复合土壤模型对计算机的内存和 运算速度要求比分层土壤模型高。
5结论
根据上述计算结果分析，采用空气、两岸边坡、远山山体、水库水、水库库底土壤分块建模方法合理，模型更符合抽水蓄能电站上、下水库土壤实际情 况，其接地计算结果较分层土壤模型更加接近实测 值。同时，该模型边界上面单元数量在合理范围内，计算机运算时间在可接受范围内。因此，采用复合土 壤模型进行抽水蓄能电站接地网设计将更加合理、准确。
参考文献：
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2015_
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