汪鵬

(云南省電力設(shè)計(jì)院，昆明 650000)

鍍銅鋼在大型并網(wǎng)光伏電站接地網(wǎng)中的應(yīng)用

汪鵬

(云南省電力設(shè)計(jì)院，昆明 650000)

就鍍銅鋼接地材料在電站接地網(wǎng)的應(yīng)用中就材料特性與傳統(tǒng)中廣泛使用的熱鍍鋅扁鋼接地材料進(jìn)行了比較，并提供了鍍銅鋼接地材料在筆者設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)大型并網(wǎng)光伏電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例，通過(guò)比較和實(shí)證，驗(yàn)證了鍍銅鋼接地材料在電站接地網(wǎng)的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性，并提出鍍銅鋼接地材料在電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)于熱鍍鋅扁鋼接地材料使用的意見(jiàn)。

鍍銅鋼；接地材料；光伏電站接地網(wǎng)

0 前言

我國(guó)大型并網(wǎng)光伏電站投資高，但由于光伏電站自身的特點(diǎn)，利用小時(shí)數(shù)較低，所以電站安全穩(wěn)定運(yùn)行是光伏電站發(fā)電量的保證。光伏電站方陣區(qū)中的光伏組件是光伏電站中投資最高的設(shè)備，由于方陣區(qū)占地面積較大使得光伏組件遭直擊雷的可能性增大，同時(shí)光伏組件還受到感應(yīng)過(guò)電壓的威脅，因此，光伏電站的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)光伏電站中接地網(wǎng)設(shè)計(jì)采用水平接地體與垂直接地體相結(jié)合的接地網(wǎng)，其中水平接地體通常習(xí)慣采用熱鍍鋅扁鋼接地材料。但熱鍍鋅扁鋼接地材料在在耐腐蝕性、免維護(hù)性、施工的便利性和可靠性這四個(gè)主要特性方面和新型的鍍銅鋼接地材料有較大差距，且兩種不同材料接地方案的投資在大型并網(wǎng)光伏電站總投資中所占比例均很小，不會(huì)造成明顯投資差距。故在設(shè)計(jì)中從光伏電站接地網(wǎng)的可靠性選擇而言，鍍銅鋼接地材料優(yōu)于熱鍍鋅扁鋼接地材料。在國(guó)內(nèi)大型并網(wǎng)光伏電站 (云南省楚雄州永仁縣秀田并網(wǎng)光伏電站)接地網(wǎng)設(shè)計(jì)中采用鍍銅鋼接地材料作為光伏電站接地網(wǎng)，并在實(shí)踐上取得成功。

1 光伏電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)思路

1.1 光伏電站接地網(wǎng)的組成

光伏電站接地網(wǎng)主要采用水平接地體和垂直接地體構(gòu)成復(fù)合接地網(wǎng)，其中垂直接地體通常為光伏組件支架的基礎(chǔ)鋼管樁，因其與光伏組件支架通過(guò)鋼板可靠焊接，而光伏組件支架又與光伏組件通過(guò)接地線連接，故可作為良好的泄流通道，在作為光伏組件支架基礎(chǔ)的同時(shí)又可成為光伏電站接地網(wǎng)中的垂直接地體。

而因光伏電站占地面積大的特點(diǎn)，使得水平接地體數(shù)量多、施工中工程量大，是光伏電站接地工程中的主體工程。

圖1 光伏組件接地示意圖

1.2 光伏電站接地網(wǎng)的連接

光伏電站水平接地體與垂直接地體采用焊接的連接方式，每一橫排東西向相鄰的光伏組件支架通過(guò)水平接地體依次相連，每一橫排的兩端從不同兩點(diǎn)與主接地網(wǎng)可靠連接。連接方式如下圖所示：

圖2 光伏電站接地網(wǎng)連接示意圖

主接地網(wǎng)采用水平接地體，原則上沿每1 MWp光伏方陣區(qū)域邊界之間的道路進(jìn)行敷設(shè)形成閉環(huán)，相鄰的光伏方陣區(qū)主接地網(wǎng)又相互連接，最終組成光伏電站的主接地網(wǎng)。

2 鍍銅鋼接地材料優(yōu)勢(shì)

2.1 耐腐蝕性和免維護(hù)性

水平接地體是光伏電站接地網(wǎng)的重要組成，也是接地網(wǎng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。而水平接地體的材料選擇則是光伏電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)中必須考慮的重要因素。

在電站接地網(wǎng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，廣泛采用熱鍍鋅扁鋼接地材料作為水平接地體，通常在約10年后，熱鍍鋅扁鋼雖無(wú)因腐蝕原因發(fā)生材料斷裂，但其接地導(dǎo)體截面將明顯減小，導(dǎo)致承載短路電流能力明顯下降，成為安全運(yùn)行的隱患。為了消除這一隱患，運(yùn)行人員需定期開(kāi)挖檢查熱鍍鋅扁鋼接地體的腐蝕情況，并進(jìn)行維護(hù)。由于水平接地體深埋于地下，一旦施工完成后再次進(jìn)行開(kāi)挖將造成運(yùn)行單位極大的困難。

而光伏電站占地較大，每MWp水平接地體的數(shù)量都在1 000～2 000 m左右，而光伏電站設(shè)計(jì)壽命約為25年，一旦投入運(yùn)行后若要開(kāi)挖檢查基本不具有可行性，所以熱鍍鋅扁鋼接地材料不適用于光伏電站的接地網(wǎng)。

而鍍銅鋼接地材料則根據(jù)取樣全國(guó)各種代表性土壤加速腐蝕測(cè)試研究結(jié)果表明，鍍銅鋼接地材料的年平均腐蝕速率最大值為0.002 1 mm/年，按照UL467標(biāo)準(zhǔn) (鍍銅接地產(chǎn)品的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn))，該接地導(dǎo)體最小銅層厚度為0.254 mm計(jì)算，鍍銅鋼接地材料的使用壽命為 0.254/0.002 1= 120.95年 (為熱鍍鋅扁鋼接地材料的10倍以上)，根據(jù)國(guó)標(biāo)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)需進(jìn)行開(kāi)挖檢查，故在光伏電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該優(yōu)先考慮選擇耐腐蝕性高的鍍銅鋼接地材料作為水平接地體。

2.2 施工可靠性

在電站接地網(wǎng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，熱鍍鋅扁鋼水平接地體通常采用電焊連接方式。由于熱鍍鋅扁鋼通常加工成10 m左右一段，成捆運(yùn)輸，在光伏電站接地網(wǎng)施工連接過(guò)程中焊接點(diǎn)數(shù)量多，焊接時(shí)使用的焊藥數(shù)量大，造成潛在故障點(diǎn)數(shù)量多、接地網(wǎng)施工工程量大、施工工期長(zhǎng)。

而當(dāng)水平接地體采用鍍銅圓鋼時(shí)，由于鍍銅圓鋼柔韌性好，易彎折，可成卷運(yùn)輸，每卷接地材料數(shù)量可達(dá)100 m以上，極大地減少了焊接點(diǎn)的數(shù)量和焊接的施工工程量，也大幅降低了潛在故障點(diǎn)數(shù)量。同時(shí)，鍍銅鋼接地材料的連接方式為放熱焊接，施工時(shí)操作方便，簡(jiǎn)化了施工工藝，大大縮短了接地網(wǎng)施工工期。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 國(guó)內(nèi)大型并網(wǎng)光伏電站接地工程概況

某并網(wǎng)光伏電站總裝機(jī)容量20 MWp，由20個(gè)1 MWp的光伏方陣區(qū)組成，光伏電站總占地面積458 000 m2。場(chǎng)址年平均雷暴日為73.5天，屬于高雷區(qū)，場(chǎng)區(qū)內(nèi)實(shí)測(cè)自然地面的土壤電阻率平均為300 Ω.m，設(shè)計(jì)接地電阻值不大于4 Ω。

3.2 接地理論計(jì)算

根據(jù)該光伏電站方陣區(qū)總平面布置圖，首先在光伏電池板區(qū)域范圍內(nèi)采用Φ 12 mm鍍銅圓鋼形成大的環(huán)形水平接地網(wǎng)，圍繞光伏板區(qū)域形成閉合環(huán)形。同時(shí)為加強(qiáng)方陣區(qū)內(nèi)各部分接地裝置的沖擊接地電流泄放能力，改善方陣區(qū)周邊電位梯度，在20個(gè)方陣區(qū)域 (#1～#20方陣)設(shè)置區(qū)域環(huán)形接地網(wǎng)，各區(qū)域環(huán)形接地網(wǎng)互相連接，最終形成主接地網(wǎng)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，全廠區(qū)水平接地網(wǎng)總面積為370 000 m2，水平接地網(wǎng)外邊緣接地體長(zhǎng)度為19 960 m，水平接地體總長(zhǎng)度為21 500 m。

根據(jù)GB 50065-2011中以水平接地極為主邊緣閉合的復(fù)合接地網(wǎng)的工頻接地電阻值計(jì)算公式：

式中：Rn—任意形狀邊緣閉合接地網(wǎng)的接地電阻，單位：Ω；

Re—等效方形接地網(wǎng)的接地電阻，單位：Ω；

S—接地網(wǎng)的總面積，單位：m2；

d—水平接地極的直徑或等效直徑，單位：m；

h—水平接地極的埋設(shè)深度，單位：m；

L0—接地網(wǎng)的外緣邊線總長(zhǎng)度，單位：m；

L—水平接地極的總長(zhǎng)度，單位：m。

本工程按照水平接地體埋設(shè)深度0.8 m，土壤電阻率按照最大值300 Ω.m計(jì)算。

將預(yù)設(shè)廠區(qū)接地網(wǎng)數(shù)據(jù)代入公式，得到：

B=0.993 686

Re=0.232 356 Ω

α1=0.313 054

Rn=0.072 74 Ω

經(jīng)計(jì)算得到的接地裝置工頻接地電阻值為0.072 74 Ω，小于4 Ω，滿足國(guó)標(biāo)要求。

3.3 實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)該接地工程施工完成后接地電阻試驗(yàn)報(bào)告中的試驗(yàn)結(jié)果，#1～#20方陣接地電阻值為0.078 05 Ω，與本工程設(shè)計(jì)的接地理論計(jì)算值0.072 74 Ω幾乎一致。

4 鍍銅鋼材料接地網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性

以鍍銅鋼接地材料和熱鍍鋅扁鋼接地材料做比較，采用兩種接地材料的接地網(wǎng)接地形式一致，比較在數(shù)量相同、技術(shù)條件不同時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。由上述比較可得出，采用鍍銅鋼材料接地方案比采用熱鍍鋅扁鋼材料接地方案的接地工程費(fèi)多36.55萬(wàn)元。該光伏電站總投資為22 830.05萬(wàn)元，采用鍍銅鋼材料接地方案的接地工程費(fèi)占總投資的0.49%，而采用熱鍍鋅扁鋼材料接地方案的接地工程費(fèi)占總投資的0.33%。兩種接地方案的工程費(fèi)占光伏電站總投資的比例都非常小，且兩者間相差僅0.16%。

5 結(jié)束語(yǔ)

鍍銅鋼接地材料作為光伏電站接地網(wǎng)中的水平接地體，在耐腐蝕性、免維護(hù)性、施工的便利性和可靠性這四個(gè)方面具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而鍍銅鋼材料接地方案比熱鍍鋅扁鋼材料接地方案的投資增幅在大型并網(wǎng)光伏電站總投資中僅為1/ 1 000～2/1 000，但卻使光伏電站的接地網(wǎng)可靠性成倍提高，減小了直擊雷和感應(yīng)過(guò)電壓對(duì)光伏組件的威脅。因此，鍍銅鋼接地材料在國(guó)內(nèi)大型并網(wǎng)光伏電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)中值得優(yōu)先推廣使用。

[1] 雷翔勝，王彥峰，黃陽(yáng)，等.變電站鍍銅鋼接地網(wǎng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù) [J].廣東電力，2012(11).

[2] 萬(wàn)一榮.變電所鍍銅接地網(wǎng)與鋼接地網(wǎng)的技術(shù)比 [J].科技風(fēng)，2011(07).

[3] GB 50065-2011.交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

Application and Design of Copper Plated Steel Ground Materials In Large-scale Photovoltaic Plants

WANG Peng
(Yunnan Electric Power Design Institute，Kunming 650000，China)

On application of copper plated steel ground material in photovoltaic plant ground grid，the material properties of copper plated steel are compared with traditionally wide-used hot dip galvanized flat steel，also an example of copper plated steel ground materials used in a large-scale photovoltaic plant is presented by author in this paper.Through examples and comparitions，the economic value of using copper plated steel ground materials in photovoltaic plant ground grid can be clearly demonstrated.Due to the advantages of using copper plated steel ground materials，it is recommended to use the copper plated steel ground material prior to hot dip galvanized flat steel material in photovoltaic plant.

copper plated steel；ground material；photovoltaic plant ground grid

TM62

B

1006-7345(2014)06-0051-03

2014-07-17

汪鵬 (1988)，男，助理工程師，云南省電力設(shè)計(jì)院，從事風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源電站設(shè)計(jì)工作 (e-mail)603462015＠qq.com。