库盆防渗抽水蓄能电站管道型接地网及其设计方法

1.本发明涉及一种库盆防渗抽水蓄能电站管道型接地网及其设计方法。


背景技术：

2.在电力构成方面，考虑到以发展新能源发电为主要拉动力以及新能源发电在参与电力平衡中的特点，非化石能源发电占比将持续大幅提高，大规模的新能源并网迫切需要大量调节电源提供优质的辅助服务，从长远可持续性来看，抽水蓄能电站容量大，寿命期长，运行成本低，安全可靠性高，仍应作为电力系统最主要的储能手段和调节电源，因此以新能源为主体的新型电力系统对抽水蓄能发展提出更高要求。
3.抽水蓄能电站利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站。它可将电网负荷低时的多余电能，转变为电网高峰时期的高价值电能，还适于调频、调相，稳定电力系统的周波和电压。电站运行初期库容水量对电站的正常运行十分重要，抽水蓄能电站在库址选择时应着重考虑库盆的渗漏特性，当库址岩层渗透性较好，地下水水位较低，存在邻谷渗流问题和裂隙渗流时，特别是上下水库均无天然径流的抽水蓄能电站，上、下水库均需采用库盆防渗的措施防止水库出现较大的渗流量。
4.当抽水蓄能电站水库采用库盆防渗时，置于上、下水库水中的接地网的散流效果将会大大降低，因此库盆防渗式抽水蓄能电站上、下水库接地网一般置于库底防渗层下侧基岩处，而上、下水库接地网又承担了大部分的散流工作，且基岩在含水率较低的情况下电阻率较高，因此库盆防渗式抽水蓄能电站接地电阻很难降到规程规范要求。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种库盆防渗抽水蓄能电站管道型接地网及其设计方法，能够将抽水蓄能电站接地电阻降到规程规范要求内。
6.根据本发明实施例第一方面，提供一种库盆防渗抽水蓄能电站管道型接地网，通过抽水管道连通管道型接接地网与水库，抽水管将水库里的少量水输送到管道型接接地网对库址岩石进行加湿，降低库址岩石电阻率，进而降低管道型接地网接地电阻，实现全库盆防渗式抽水蓄能电站在防渗的同时接地电阻较小。
7.在一些示例中，利用部分库底防渗层渗漏水辅助加湿库址岩石。
8.根据本发明实施例第二方面，提供一种库盆防渗抽水蓄能电站管道型接地网设计方法，包括：从抽水蓄能电站库址岩石地质特征参数测试和内部渗流场研究两个角度确定不同加湿强度条件下库址岩石内部含水率分布规律，基于库址岩石电阻率与含水率关系，结合库址岩石不同加湿强度条件下内部含水率分布规律得到库址岩石的电阻率随渗流的变化规律，并基于抽水蓄能电站接地网散流模型确定库址岩石所需加湿范围，根据库址岩石的电阻率随渗流的变化规律和库址岩石所需加湿范围对管道型接地网进行设计。
9.在一些示例中，库址岩石电阻率与含水率关系确定方法为：库址岩石试样放置在环氧树脂套管中，导电硅橡胶电极片固定在套管两端并与库址岩石试样紧密接触；将直流
恒流电源通过导电硅橡胶电极片与库址岩石试样连接成回路；测量电流控制在1ma，每种含水率库址岩石试样的测量时间控制在5s，读取5s内最大、最小和最频繁出现的值，并将这三个值的平均值作为最终计算电阻率的值。
10.本发明具有如下有益效果：本发明提供的库盆防渗抽水蓄能电站管道型接地网设计方法，从抽水蓄能电站库址岩石地质特征参数测试和内部渗流场研究两个角度确定库址岩石内部含水率分布规律，基于岩石电阻率与含水率测试数据，结合岩石内部含水率分布规律得到库址岩石的电阻率随渗流的变化规律，并基于抽水蓄能电站接地网散流模型确定库址岩石所需加湿范围，并基于以上仿真与试验结果规划管道型接地网设计方法，本发明可有效解决高土壤电阻率地区库盆防渗抽水蓄能电站的接地网接地电阻过高且难以降阻的问题。
附图说明
11.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单的介绍。
12.图1是本发明一实施例提供的不同含水率岩石试样电阻率测试回路及测试平台示意图。
13.图2是本发明一实施例提供的岩石电阻率随含水率变化特性确定流程图。
14.图3是本发明一实施例提供的岩石试样渗透系数测试平台示意图。
15.图4是本发明一实施例提供的岩石内部含水率分布特性确定流程图。
16.图5是本发明一实施例提供的管道型接地网设计效果图。
17.图6是本发明一实施例提供的管道型接地网设计方法流程图。
18.图7是本发明一实施例提供的库址处岩石试样含水率随吸水时间变化曲线。
19.图8是本发明一实施例提供的抽水蓄能电站库址鸟瞰图。
具体实施方式
20.步骤一，搭建抽水蓄能电站接地网散流模型，根据抽水蓄能电站散流特性以及接地电阻随岩石电阻率变化特性，确定所需加湿岩石块范围。
21.步骤二，对抽水蓄能电站上、下水库库盆库址处岩石进行采样，并将岩石采样块制备为岩石试样。
22.将不规则岩石样品制为标准圆柱试样，根据gb/t 50266-2013《工程岩体试验方法标准》可知，岩石试样最小尺寸应不小于组成岩石最大矿物颗粒直径的十倍，每个试件的质量应为40g～200g，每组试样数量应为5个，试样尺寸为直径为50mm，高为100mm的圆柱形试样，并对其两平行端面进行打磨，使其满足gb/t 50266的要求，为降低岩石试样的离散性对实验结果造成较大影响，首先对制成的试样进行筛选，去除外观存在缺陷的试样，并采用波速仪进行声波测试，选择波速相近的试样进行试验，保证岩石试样的离散型较小。
23.步骤三，岩石试样吸水性测试。从所制的岩石试样中随机挑选5块试样置于105℃烘干箱中干燥24小时，然后冷却至室温并称量其干燥质量，再将岩样浸泡在水中让其吸收水分，并应保证岩石顶部在水平页面下2mm左右，即完全浸泡，在浸泡过程前期每隔30分钟取出灰岩试样，浸泡后期可适当加长间隔时间，用湿抹布轻轻擦去试样表面的水分称其质
量直至岩石试样质量变化幅度不大，则认定为岩石试样吸水饱和，根据不同吸水时长的试样质量称量结果，对5块岩石试样绘制含水率随浸水时间的变化曲线。其中岩石试样含水率计算公式如下式(1)：
24.w＝(m
sa
‑ꢀ
ma)/ maꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
25.式中，w为含水率；m
sa
为灰岩浸水后重量，单位为g；ma为灰岩干燥时重量，单位为g。
26.依照以上试验方法即可制备不同含水率的岩石试样，并能保证岩石试样的离散型较差，保证实验结果的准确性。
27.步骤四：不同含水率岩石试样电阻率测试。不同含水率岩石电阻率的测量电路及装置如图1所示。岩石电阻率测量装置包括环氧树脂制成的套管和导电硅橡胶电极片。环氧树脂起绝缘和保温的作用。饱和水岩石放置在环氧树脂套管中，导电硅橡胶电极片固定在套管两端并与岩石试样紧密接触以减小接触电阻和极化效应，同时保证电极片与样品接触面最大。
28.每种含水率岩石试样采用三份相同样品做平行测量。一般岩石试样吸水率较差，即使达到饱和水岩石试样，其含水率也仅有1％～3％间，因此拟以岩石试样饱和含水率为基准，将其等分为6种不同含水率岩石试样进行电阻率测试，例如灰岩饱和水下含水率为1.5％，即将其等分为6种含水率试样进行电阻率测试，即0％，0.3％，0.6％，0.9％，1.2％，1.5％含水率，每组含水率试样应设置三份平行对照组，最后取三份岩石试样电阻率测试结果的平均值。该测量使用直流恒流电源，即测量中电流恒定，电压读数波动。岩石极化效应较严重，为减少电流过大造成极化效应，测量电流控制在1ma，每种含水率岩石试样的测量时间控制在5s，采用5s内最大、最小和最频繁出现的值，并将这三个值的平均值作为最终计算电阻率的值，每份岩石试样测试结束后应将导电硅橡胶充分干燥保证岩石试样含水率不受影响。
29.结合步骤二、三、四即可得抽水蓄能电站库址岩石电阻率随含水率的变化特性，简要流程图参见图2。
30.步骤五，确定抽水蓄能电站库址岩石渗流特性。首先需要对岩石试样的特征参数：孔隙率、渗透系数、体积密度进行测试。基于步骤二的岩石试样的制备方法，制备足够数量的岩石试样。
31.①
岩石的体积密度ρ测试：取岩石试样3块作平行对照，并在105℃烘箱中烘干24h，称量岩样干燥重量为ma，在近真空条件下(压力小于800pa)放在水中饱和，待岩样饱和后，将它取出，揩干表面上的液体，称量空气中饱和岩石质量为m
sa
，岩样在水中饱和的质量为m
sl
，则干燥岩石的密度为：
[0032][0033]
②
岩石视孔隙率测试：取岩石试样3块作平行对照，并在105℃烘箱中烘干24h，称量岩样干燥重量为ma，在近真空条件下(压力小于800pa)放在水中饱和，待岩样饱和后，将它取出，揩干表面上的液体，称量空气中饱和岩石质量为m
sa
，其视在孔隙率为：
[0034][0035]
式中，v为岩石试样体积，可根据岩石体积密度测试结果计算求得。
[0036]
③
岩石渗透系数测试：
[0037]
根据达西定律及其试验可利用以下装置测试岩石的渗透系数，如图3所示，测试平台保持岩样水平，且维持两水平面高度差一致的稳态情况，岩样两侧分别用滤板过滤去离子水中杂志保证渗透系数测试结果准确。
[0038]
单位时间内在加湿强度为i下通过某过水断面面积为s的流量q，与岩石的渗透系数有关，有以下关系式：
[0039]
q＝iks
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0040]
通过平台出口处流量计测得流量q，加湿强度i即为水位差h与岩石试样长度l的比值，岩石试样截面面积即为s，根据以上测试结果即可求得岩石渗透系数k。
[0041]
步骤六，确定抽水蓄能电站库址岩石在不同外部加湿条件下内部含水率分布规律。基于抽水蓄能电站库址大小，和步骤五中测得的岩石特征参数，分别构建上、下水库库底岩石块渗流模型，采用仿真软件comsol中多层达西渗流场、裂隙流场和理查兹方程三种物理场模块进行建模，并于岩石块截面接地网所处位置加载地网大小的外部加湿边界面，并加载不同大小的加湿强度的外部激励，计算不同加湿强度条件下的岩石内部含水率分布规律。
[0042]
结合步骤五和步骤六即可得到不同加湿策略下的岩石内部含水率分布规律，简要流程如图4所示。
[0043]
步骤七：结合步骤四和步骤六得到的不同加湿条件下岩石内部含水率分布情况和岩石在不同含水率条件下电阻率变化规律。
[0044]
进一步地，结合步骤一中得到的所需加湿岩石块范围，即可对管道型接地网的排布方式和控制策略进行研究，在权衡经济性和安全性两方面下得到适用于不同情况下的管道型接地网的设计方案。
[0045]
因此，本发明拟提出以下管道型接地网设计方案：通过抽水管道连通管道型地网与水库，抽水管将水库里的少量水输送到管道型接接地网对库址岩石进行加湿，并利用库底防渗层渗水辅助，降低岩石电阻率，进而降低接地网接地电阻，实现全库盆防渗式抽水蓄能电站在防渗的同时接地电阻较小，保证电站正常、安全、高效运行。管道型接地网设计效果图如图5所示。
[0046]
结合以上步骤可得到一套完备的库盆防渗抽水蓄能电站管道型接地网设计方法，图6展示了管道型接地网设计方法流程。
[0047]
下面结合案例对库盆防渗抽水蓄能电站管道型接地网设计方法进行简要说明。
[0048]
步骤一：采集某抽水蓄能电站上、下水库库址岩石试样，并对岩石试样岩石种类进行鉴别，鉴别结果如下表1所示：
[0049]
表1 岩性及取样位置
[0050]
岩性取样位置弱风化薄层灰岩上水库库盆强风化薄层灰岩上水库库盆弱风化灰岩下水库厂房勘探平洞渣场粉质粘土下水库库盆
[0051]
对采集岩石试样进行吸水测试，弱风化灰岩测试结果如图7所示。
[0052]
步骤二：利用不同含水率岩石试样电阻率测试装置测试不同含水率下的岩石试样电阻率，试验结果如下表2所示：
[0053]
表2不同含水率岩石试样电阻率测试结果
[0054]
含水率电阻率1％12000ω
·
m2％5400ω
·
m3％2340ω
·m[0055]
步骤三：对岩石试样进行特征参数测试，测试结果如下表3所示：
[0056]
表3岩石试样特征参数测试结果
[0057][0058][0059]
步骤四：基于抽水蓄能电站库址大小，和步骤五中测得的岩石特征参数，分别构建上、下水库库底岩石块渗流模型，采用仿真软件comsol中多层达西渗流场、裂隙流场和理查兹方程三种物理场模块进行建模，并于岩石块截面接地网所处位置加载地网大小的外部加湿边界面，并加载不同大小的加湿强度的外部激励，计算不同加湿强度条件下的岩石内部含水率分布规律。抽水蓄能电站库址鸟瞰图如图8所示。
[0060]
于仿真软件comsol中搭建大范围岩石块，并加载如图8所示地网加湿面，根据图5可知，通过加湿管道利用水库水加湿库底岩石块，因此加湿面设置为如图8所示形状，根据步骤二得到的岩石电阻率随含水率的变化规律可以在comsol中绘制在不同加湿强度的加湿条件下60d后库底岩石的电阻率分层情况，计算结果如下表所示：
[0061][0062]
步骤五：搭建抽水蓄能电站接地网散流模型，并基于前述四项步骤计算和测试结果，在不同的加湿条件下，接地网接地电阻出现不同程度的降低，计算结果如表4、5所示。可
以看出，随着外界加湿的加湿强度变大，岩石渗水变快，电阻率下降幅度更大，相应地接地网接地电阻降低幅度更大，下水库降阻效果明显，因此在本实施例中宜在下水库库底地网进行改造，装设管道型接地网，并采用尽可能大的加湿强度进行加湿，同时还可采用部分库底防渗层渗漏水辅助加湿库底岩石。
[0063]
表4上库不同加湿条件下接地电阻计算结果
[0064][0065][0066]
表5下库不同加湿条件下接地电阻计算结果
[0067]
加湿强度/(l/d)接地电阻/ω52.2177.52.183102.134152.078
[0068]
综上，本技术从抽水蓄能电站库址岩石地质特征参数测试和内部渗流场研究两个角度确定不同加湿强度条件下库址岩石内部含水率分布规律，基于岩石电阻率与含水率测试数据，结合岩石内部含水率分布规律得到库址岩石的电阻率随渗流的变化规律，并基于抽水蓄能电站接地网散流模型确定库址岩石所需加湿范围，并基于以上仿真与试验结果规划管道型接地网设计，本发明可有效解决高土壤电阻率地区库盆防渗抽水蓄能电站的接地网接地电阻过高且难以降阻的问题。

技术特征：
1.一种库盆防渗抽水蓄能电站管道型接地网，其特征在于，通过抽水管道连通管道型接接地网与水库，抽水管将水库里的少量水输送到管道型接接地网对库址岩石进行加湿，降低库址岩石电阻率，进而降低管道型接地网接地电阻，实现全库盆防渗式抽水蓄能电站在防渗的同时接地电阻较小。2.根据权利要求1所述的库盆防渗抽水蓄能电站管道型接地网，其特征在于，利用部分库底防渗层渗漏水辅助加湿库址岩石。3.一种权利要求1或2所述的库盆防渗抽水蓄能电站管道型接地网设计方法，其特征在于，包括：从抽水蓄能电站库址岩石地质特征参数测试和内部渗流场研究两个角度确定不同加湿强度条件下库址岩石内部含水率分布规律，基于库址岩石电阻率与含水率关系，结合库址岩石不同加湿强度条件下内部含水率分布规律得到库址岩石的电阻率随渗流的变化规律，并基于抽水蓄能电站接地网散流模型确定库址岩石所需加湿范围，根据库址岩石的电阻率随渗流的变化规律和库址岩石所需加湿范围对管道型接地网进行设计。4.根据权利要求3所述的库盆防渗抽水蓄能电站管道型接地网设计方法，其特征在于，库址岩石电阻率与含水率关系确定方法为：库址岩石试样放置在环氧树脂套管中，导电硅橡胶电极片固定在套管两端并与库址岩石试样紧密接触；将直流恒流电源通过导电硅橡胶电极片与库址岩石试样连接成回路；测量电流控制在1ma，每种含水率库址岩石试样的测量时间控制在5s，读取5s内最大、最小和最频繁出现的值，并将这三个值的平均值作为最终计算电阻率的值。

技术总结
本发明公开了一种库盆防渗抽水蓄能电站管道型接地网及其设计方法。本发明通过抽水管道连通管道型地网与水库，使用少量水库水加湿站址岩石，并利用库底防渗层渗水辅助，降低岩石电阻率，进而降低接地网接地电阻。管道型接地网设计方法：从抽水蓄能电站库址岩石地质特征参数测试和内部渗流场研究两个角度确定库址岩石内部含水率分布规律，基于岩石电阻率与含水率测试数据，结合岩石内部含水率分布规律得到库址岩石的电阻率随渗流的变化规律，并基于抽水蓄能电站接地网散流模型确定库址岩石所需加湿范围，根据库址岩石的电阻率随渗流的变化规律和库址岩石所需加湿范围对管道型接地网进行设计。地网进行设计。地网进行设计。


技术研发人员：鲁海亮 王会武 李元杰 王维 郑智慧 邓冶强 张程华 张轶炫 聂沛
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/7/22