張 瑩，陸 浩，馮永剛，白雪松

(內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，呼和浩特 010010)

0 引言

近年來(lái)，隨著全球氣候變暖問(wèn)題日益嚴(yán)重，各國(guó)對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)也更為重視。在能源應(yīng)用領(lǐng)域，有效利用可再生能源是應(yīng)對(duì)生態(tài)問(wèn)題的重要途徑之一。太陽(yáng)能發(fā)電是可再生能源利用形式的一種，其中對(duì)于太陽(yáng)能熱發(fā)電的高效利用已成為現(xiàn)階段能源轉(zhuǎn)型的重要課題。根據(jù)“十三五”規(guī)劃的部署，國(guó)家將繼續(xù)大力支持太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，建設(shè)太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目，這將使太陽(yáng)能熱發(fā)電的形式日益完善，相關(guān)技術(shù)發(fā)展也將日新月異[1]。

在太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)中，塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是利用大規(guī)模自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的定日鏡場(chǎng)將太陽(yáng)光反射集中到高塔頂部的接收器上，接收器將吸收的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成熱能，再將熱能傳給工質(zhì)，經(jīng)過(guò)蓄熱環(huán)節(jié)后再輸入到熱動(dòng)力機(jī)，熱動(dòng)力機(jī)膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。該發(fā)電方式是未來(lái)太陽(yáng)能熱發(fā)電的主要技術(shù)[2]。在塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目的定日鏡場(chǎng)區(qū)域，由于低壓用電負(fù)荷較為分散，并且定日鏡場(chǎng)的低壓用電負(fù)荷通常與常規(guī)島內(nèi)的低壓配電裝置之間的距離較遠(yuǎn)，因此，對(duì)于塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目中定日鏡場(chǎng)區(qū)域的低壓用電負(fù)荷到底采用哪一種低壓供電接地系統(tǒng)更為安全、可靠、經(jīng)濟(jì)這個(gè)問(wèn)題，目前還無(wú)明確的答案。

根據(jù)接地形式不同，低壓供電接地系統(tǒng)可以分為TN低壓供電接地系統(tǒng)(其中包括TN-S低壓供電接地系統(tǒng))、TT低壓供電接地系統(tǒng)和IT低壓供電接地系統(tǒng)。本文將結(jié)合境外某在建的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目，從安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，針對(duì)該項(xiàng)目中定日鏡場(chǎng)的低壓供電接地系統(tǒng)的接地形式進(jìn)行探討分析，并對(duì)比分析塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目的定日鏡場(chǎng)低壓供電接地系統(tǒng)分別采用TT低壓供電接地系統(tǒng)和TN-S低壓供電接地系統(tǒng)時(shí)的應(yīng)用特點(diǎn)。

1 某在建塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目的概況

本文以境外某在建的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目(下文稱為“D項(xiàng)目”)為例進(jìn)行分析。D項(xiàng)目中，定日鏡場(chǎng)的低壓用電負(fù)荷由常規(guī)島引來(lái)的400/230 V低壓廠用電作為電源。由常規(guī)島引至定日鏡場(chǎng)的電源共21個(gè)回路，低壓用電負(fù)荷在0.45～5.72 kW之間；定日鏡場(chǎng)低壓用電負(fù)荷距離常規(guī)島內(nèi)的低壓配電裝置較遠(yuǎn)，每個(gè)供電回路的距離均在200～1400 m之間。

2 低壓供電接地系統(tǒng)方案分析

為低壓供電接地系統(tǒng)選擇合理的接地形式，對(duì)于保障人身安全、設(shè)備安全，以及保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。低壓供電接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。

在塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目的定日鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)中，選擇合理的低壓供電接地系統(tǒng)，既能實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的安全性和可靠性，又能節(jié)約低壓供電電纜的用量[3]。

針對(duì)D項(xiàng)目的低壓供電接地系統(tǒng)，本文提出了2種方案，一種是采用光伏電站及太陽(yáng)能熱發(fā)電站常用的TN-S低壓供電接地系統(tǒng)，另一種是采用TT低壓供電接地系統(tǒng)。下文對(duì)2種低壓供接地系統(tǒng)方案的優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比論證。

2.1 TN-S低壓供電接地系統(tǒng)方案

TN-S低壓供電接地系統(tǒng)在電源處應(yīng)有1處直接接地，電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分通過(guò)保護(hù)導(dǎo)體(即PE線)接到接地點(diǎn)。D項(xiàng)目不單獨(dú)配置中性導(dǎo)體(即N線)，則此項(xiàng)目采用TN-S低壓供電接地系統(tǒng)方案時(shí)，TN-S低壓供電接地系統(tǒng)的接地示意圖如圖1所示。圖中：L1、L2、L3均為相線。

圖1 TN-S低壓供電接地系統(tǒng)的接地示意圖Fig. 1 Schematic diagram of grounding of TN-S low-voltage power supply grounding system

若在定日鏡場(chǎng)采用TN-S低壓供電接地系統(tǒng)，則是通過(guò)PE線將常規(guī)島低壓配電裝置的接地系統(tǒng)與定日鏡場(chǎng)的低壓供電接地系統(tǒng)連接在一起，但在這種情況下，如果定日鏡場(chǎng)或常規(guī)島任意一處發(fā)生接地故障，那么通過(guò)PE線的連接會(huì)使故障電流在定日鏡場(chǎng)低壓供電接地系統(tǒng)與常規(guī)島低壓配電裝置接地系統(tǒng)中相互傳導(dǎo)。

TN-S低壓供電接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：若定日鏡場(chǎng)的電氣裝置端發(fā)生故障，則故障電流將通過(guò)PE線流回至常規(guī)島電源點(diǎn)，不會(huì)在定日鏡場(chǎng)的電氣裝置端出現(xiàn)過(guò)高的對(duì)地電壓，觸電危險(xiǎn)大幅減小。

2.2 TT低壓供電接地系統(tǒng)方案

TT低壓供電接地系統(tǒng)中只有1處直接接地，定日鏡場(chǎng)內(nèi)的電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分應(yīng)接到與常規(guī)島分離的定日鏡場(chǎng)接地網(wǎng)上。由于D項(xiàng)目不單獨(dú)配置N線，則此項(xiàng)目采用TT低壓供電接地系統(tǒng)方案時(shí)，TT低壓供電接地系統(tǒng)的接地示意圖如圖2所示。

圖2 TT低壓供電接地系統(tǒng)的接地示意圖Fig. 2 Schematic diagram of grounding of TT low-voltage power supply grounding system

如果在定日鏡場(chǎng)采用TT低壓供電接地系統(tǒng)，則定日鏡場(chǎng)低壓供電接地系統(tǒng)與常規(guī)島低壓配電裝置接地系統(tǒng)將無(wú)直接聯(lián)系，定日鏡場(chǎng)電氣裝置可在定日鏡場(chǎng)內(nèi)可靠接地；當(dāng)定日鏡場(chǎng)或常規(guī)島內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流不會(huì)像采用TN-S低壓供電接地系統(tǒng)時(shí)那樣沿著PE線傳導(dǎo)。

TT低壓供電接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障短路時(shí)的示意圖如圖3所示。圖中：Id為故障電流；RA為電源處的接地系統(tǒng)的接地電阻值；RB為定日鏡場(chǎng)區(qū)域的接地系統(tǒng)的接地電阻值。

圖3 TT低壓供電接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障短路時(shí)的示意圖Fig.3 Schematic diagram of TT low-voltage power supply grounding system in case of ground fault short circuit

采用TT低壓供電接地系統(tǒng)時(shí)，定日鏡場(chǎng)內(nèi)電氣裝置的外殼應(yīng)直接與大地連接，當(dāng)定日鏡場(chǎng)內(nèi)電氣裝置發(fā)生接地故障短路時(shí)，故障電流的回路是“電氣裝置外殼—大地—變壓器中性點(diǎn)—電網(wǎng)”。由于TT低壓供電接地系統(tǒng)回路中有較大的接地電阻(大地)，因此當(dāng)定日鏡場(chǎng)內(nèi)電氣裝置發(fā)生接地故障短路時(shí)，很難使線路上的保護(hù)裝置動(dòng)作。下文對(duì)此情況進(jìn)行具體分析。

當(dāng)定日鏡場(chǎng)內(nèi)電氣裝置發(fā)生接地故障短路時(shí)，會(huì)導(dǎo)致圖3中的RB和RA這2個(gè)電阻形成故障回路。

Id可表示為：

式中：Ux為定日鏡場(chǎng)內(nèi)電氣裝置發(fā)生接地故障短路時(shí)其外殼的電位升，本文取400 V。

根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際情況，RB=RA=4 Ω(行業(yè)內(nèi)要求保護(hù)接地電阻不大于4 Ω)，則Id=50 A。50 A的故障電流不足以使保護(hù)裝置動(dòng)作，若定日鏡場(chǎng)電氣裝置發(fā)生接地故障短路，電氣裝置外殼上的危險(xiǎn)電壓會(huì)長(zhǎng)期存在，觸電危險(xiǎn)不能消除。

故障點(diǎn)對(duì)地電壓Ud可表示為：

代入數(shù)值可知，Ud=200 V。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，人體的電阻Rr=800 Ω。電氣裝置發(fā)生接地故障短路時(shí)，人若觸摸電氣裝置外殼，此時(shí)通過(guò)人體的電流Ir可表示為：

代入數(shù)值可知，Ir=250 mA。

250 mA的電流經(jīng)過(guò)人體會(huì)造成致命的傷害。因此，若采用TT低壓供電接地系統(tǒng)，則必須增加漏電保護(hù)器來(lái)保護(hù)人身安全。

當(dāng)采用漏電保護(hù)器時(shí)，Ia為漏電保護(hù)器的剩余電流的動(dòng)作電流。根據(jù)GB/T 50065-2011[8]中的規(guī)定：TT低壓供電接地系統(tǒng)的接地電阻與電氣裝置外露可導(dǎo)電部分的保護(hù)導(dǎo)體電阻之和R應(yīng)符合

經(jīng)計(jì)算可知，至少應(yīng)增設(shè)剩余電流為50 mA的漏電保護(hù)器以保證人身安全。

采用TT低壓供電接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)常規(guī)島220 kV系統(tǒng)發(fā)生接地故障產(chǎn)生較大的故障電流時(shí)，故障電流不會(huì)像采用TN-S低壓供電接地系統(tǒng)時(shí)沿著PE線直接流向定日鏡場(chǎng)，因此不會(huì)對(duì)定日鏡場(chǎng)內(nèi)的電氣裝置造成沖擊。

2.3 低壓供電接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析

通過(guò)對(duì)近年來(lái)已建成的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：國(guó)內(nèi)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目中定日鏡場(chǎng)的低壓供電接地系統(tǒng)大多采用TN-S低壓供電接地系統(tǒng)，即在定日鏡場(chǎng)的電氣裝置與常規(guī)島低壓配電裝置之間的供電電纜中，除相線之外，另配置1芯電纜作為PE線；而國(guó)外的部分塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目，比如已投運(yùn)的Ashalim塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，其定日鏡場(chǎng)的低壓供電接地系統(tǒng)則采用了TT低壓供電接地系統(tǒng)。

2.4 項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性比較

在定日鏡場(chǎng)內(nèi)電氣裝置選型上，TN-S低壓供電接地系統(tǒng)方案與TT低壓供電接地系統(tǒng)方案的差別主要在于：

1) TN-S低壓供電接地系統(tǒng)中，定日鏡場(chǎng)供電箱進(jìn)線電纜采用3芯電纜，而TT低壓供電接地系統(tǒng)則采用2芯電纜(無(wú)PE線)；

2) TT低壓供電接地系統(tǒng)需加裝漏電保護(hù)器。

對(duì)2種低壓供電接地系統(tǒng)在D項(xiàng)目中具體應(yīng)用時(shí)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比，可得到采用不同低壓供電接地系統(tǒng)時(shí)的電纜選型差價(jià)對(duì)比表，具體如表1所示。

表1 采用不同低壓供電接地系統(tǒng)時(shí)的電纜選型差價(jià)對(duì)比表Table 1 Comparison of price difference of cable selection when different low-voltage power supply grounding systems are adopted

另外，通過(guò)與設(shè)備制造廠家詢價(jià)發(fā)現(xiàn)，在斷路器中加裝1臺(tái)漏電保護(hù)器需要增加的費(fèi)用約為230元。D項(xiàng)目的定日鏡場(chǎng)供電箱共有21個(gè)，采用TT低壓供電接地系統(tǒng)時(shí)均需加裝漏電保護(hù)器，由此增加的投資約為4830元。

綜合上述分析可以看出，由于主要電氣裝置選型的差別，總體來(lái)看，與TN-S低壓供電接地系統(tǒng)相比，TT低壓供電接地系統(tǒng)的成本有大幅降低。

由于塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目中定日鏡場(chǎng)的低壓用電負(fù)荷與常規(guī)島低壓配電裝置之間的距離一般較遠(yuǎn)，定日鏡場(chǎng)的低壓用電負(fù)荷的分布也較為分散，因此推薦采用TT低壓供電接地系統(tǒng)作為該類項(xiàng)目的低壓供電接地系統(tǒng)。

3 結(jié)論

本文以境外某在建的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目為例，從安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，對(duì)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目中定日鏡場(chǎng)的低壓供電接地系統(tǒng)的選擇進(jìn)行了對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

1) TN-S低壓供電接地系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用廣泛，安全性較高；但是該接地系統(tǒng)是通過(guò)PE線將常規(guī)島的低壓配電裝置接地系統(tǒng)與定日鏡場(chǎng)的低壓供電接地系統(tǒng)連接在一起，故障電流會(huì)通過(guò)PE線在定日鏡場(chǎng)低壓供電接地系統(tǒng)與常規(guī)島低壓配電裝置接地系統(tǒng)中相互傳導(dǎo)。

2) 采用TT低壓供電接地系統(tǒng)時(shí)，定日鏡場(chǎng)的低壓供電接地系統(tǒng)與常規(guī)島的低壓配電裝置接地系統(tǒng)不直接聯(lián)系，能夠?qū)⒔拥毓收峡刂圃诙搪冯娏骰芈分?；但是采用TT低壓供電接地系統(tǒng)必須加裝漏電保護(hù)器來(lái)確保人身安全。

3) 由于采用的主要電氣裝置選型不同，相較于TN-S低壓供電接地系統(tǒng)，TT低壓供電接地系統(tǒng)的工程成本更低。

綜上所述可知，由于TT低壓供電接地系統(tǒng)和TN-S低壓供電接地系統(tǒng)的特點(diǎn)不同，因此所適用的場(chǎng)合也不相同。由于塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目中定日鏡場(chǎng)區(qū)域的低壓用電負(fù)荷與常規(guī)島低壓配電裝置之間的距離一般較遠(yuǎn)，且定日鏡場(chǎng)的低壓用電負(fù)荷分布也較為分散，因此推薦使用TT低壓供電接地系統(tǒng)作為該類項(xiàng)目的低壓供電接地系統(tǒng)。