苗 青 王 凱 紀(jì) 蘋 孟常靜怡

（1.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 2.北京振中電子技術(shù)有限公司3.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司）

0 引言

本文依據(jù)東北高寒地區(qū)新建光伏電站項(xiàng)目，引出光伏場(chǎng)區(qū)接地網(wǎng)布設(shè)、接地網(wǎng)阻值、地網(wǎng)跨步電壓及接觸電壓的計(jì)算及討論［1］。

項(xiàng)目新建220kV 升壓站一座，站內(nèi)高一臺(tái)100MVA主變，采用AIS線變組接線方式，電壓等級(jí)為220／35kV，接線組別為YN，d11；35kV側(cè)經(jīng)接地變壓器和小電阻接地，接線組別為Zn，yn11，占地約11×104m2［2-4］。

光伏場(chǎng)區(qū)共設(shè)32個(gè)光伏子陣，32座箱變，接線組別為D，y11，采用雙面雙玻單晶硅光伏組件，每26塊光伏組件為1串。450／540Wp組件中每24串進(jìn)入1臺(tái)匯流箱，每15臺(tái)匯流箱進(jìn)入1臺(tái)箱逆變一體機(jī)；450Wp組件每28串進(jìn)入1臺(tái)逆變器，每11臺(tái)匯流箱進(jìn)入1臺(tái)箱變；540Wp組件每26串進(jìn)入1臺(tái)逆變器，每11臺(tái)匯流箱進(jìn)入1臺(tái)箱變，占地約306×104m2［5-7］。

通過野外鉆探、現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)資料綜合分析，場(chǎng)地平坦、無特殊性巖土，為均勻地基，工程地質(zhì)分為素填土、粘土、粉質(zhì)粘土、粉砂、粘土、粉質(zhì)粘土、粉砂7層；地下水穩(wěn)定水位標(biāo)高為142.82～142.98m（水位埋深為0.70～2.40m左右），地下水對(duì)混凝土具有微腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具有弱腐蝕性，該場(chǎng)地土壤腐蝕性等級(jí)為弱腐蝕；場(chǎng)地抗震設(shè)防裂度為6度；凍脹類別為強(qiáng)凍脹；土壤熱阻系數(shù)為1.35K·m／W；探棒間距6m下測(cè)得土壤電阻率在550Ω·m左右［8-10］。

1 接地網(wǎng)設(shè)置原則

1.1 場(chǎng)區(qū)接地網(wǎng)

充分利用各光伏電池方陣基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋作為自然接地體，在敷設(shè)必要的人工接地網(wǎng)，以滿足《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB／T50065-2011）規(guī)范中規(guī)定的電阻值。場(chǎng)區(qū)接地網(wǎng)應(yīng)形成閉合狀態(tài)，并將場(chǎng)區(qū)內(nèi)所有金屬部件可靠連接形成等電位體并通過引下線接入地網(wǎng)，包括但不限于光伏支架中的金屬部分、檀條、電力電纜金屬護(hù)套、屏蔽層、接頭盒、電纜橋架、設(shè)備（箱變、逆變器、匯流箱）外殼等金屬部分。

地下部分接地采用熱鍍鋅扁鋼，水平接地體采用50×5熱鍍鋅扁鋼，敷設(shè)深度不小于0.8m，垂直接地體采用50×50×5熱鍍鋅角鋼，長(zhǎng)度L＝4000mm，地上部分支架與支架之間采用40×4熱鍍鋅扁鋼可靠連接，接地網(wǎng)的接地電阻值應(yīng)滿足R≤2000／Ig算式要求，且不大于4Ω，使場(chǎng)區(qū)的接地電勢(shì)、跨步電勢(shì)和轉(zhuǎn)移電勢(shì)限制在安全值以內(nèi)，考慮到場(chǎng)區(qū)土壤為凍脹類別，水平接地體及垂直接地極周圍采用換填100mm中粗砂。廠區(qū)接地網(wǎng)布置示意圖如圖1所示。

圖1 廠區(qū)接地網(wǎng)布置示意圖

圖2 電氣接地參數(shù)計(jì)算書

1.2 系統(tǒng)接地

在充分考慮當(dāng)前和遠(yuǎn)景最大運(yùn)行方式下一次系統(tǒng)電氣設(shè)備接線、母線連接，系統(tǒng)故障時(shí)電抗電阻比值，確定最大入地電流。

根據(jù)場(chǎng)區(qū)占地情況，初步劃定接地網(wǎng)布設(shè)范圍，并具此計(jì)算得出接地網(wǎng)的接地電阻值、接觸電壓差、跨步電壓差，并與允許的電阻限值及電壓限值進(jìn)行比較，經(jīng)計(jì)算不滿足要求時(shí)，應(yīng)采取降低電阻電壓措施或提高允許值的措施。

本文將著重介紹確定接地網(wǎng)工頻接地電阻、沖擊接地電阻及接觸電壓差、跨步電壓差的計(jì)算過程及允許值的確定方法。

2 場(chǎng)區(qū)接地網(wǎng)電氣參數(shù)計(jì)算

2.1 接地網(wǎng)工頻電阻計(jì)算

光伏電站220kV升壓站35kV中性點(diǎn)裝置為200A的低電阻柜，經(jīng)計(jì)算短路電流為127A，保護(hù)接地接至變電站接地網(wǎng)的站用變壓器的低壓側(cè)應(yīng)采用TN系統(tǒng)，其中Ig為計(jì)算用經(jīng)接地網(wǎng)入地的最大接地故障不對(duì)稱電流有效值取200A。經(jīng)計(jì)算接地網(wǎng)的最大允許接地電阻應(yīng)為10Ω。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)依據(jù)電力系統(tǒng)中對(duì)電氣設(shè)備接地?cái)?shù)值的要求對(duì)接地網(wǎng)的允許數(shù)值進(jìn)行修正，因變壓器中性點(diǎn)對(duì)接地電阻值的要求為不大于4Ω，因此整體接地網(wǎng)的接地電阻允許值不應(yīng)大于4Ω。

均勻土壤中水平接地極為主邊緣閉合的接地網(wǎng)的接地電阻值應(yīng)按下式計(jì)算得出，其中α1為形狀修正系數(shù)；Re為等值方形接地網(wǎng)的接地電阻；S為接地網(wǎng)總面積；d為水平接地極的等效直徑；h為水平接地極的埋設(shè)深度；L0為接地網(wǎng)外緣邊線總長(zhǎng)度；L為水平接地極的總長(zhǎng)度，上述水平接地網(wǎng)的長(zhǎng)度量單位均為米。

本例中土壤電阻率為962.6Ω·m，為地堪報(bào)告中測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)CDEGS軟件計(jì)算得出下層分層土壤電阻率；水平接地體采用50×5mm熱鍍鋅扁鋼，敷設(shè)深度不小于0.8m，在計(jì)算時(shí)應(yīng)對(duì)其進(jìn)行數(shù)值修正，扁導(dǎo)體取其寬度的0.5倍，等邊角鋼取其寬度的0.84倍，不等邊角鋼取其寬度的倍；由圖1中可知水平接地網(wǎng)總長(zhǎng)度為27505m，外緣邊線總長(zhǎng)度為9185m，總面積為2790000m2。

根據(jù)上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可求得B值為0.9978；Re為0.3217Ω；形狀修正系數(shù)α1為0.8936，均勻土壤中水平接地極為主邊緣閉合的接地網(wǎng)的接地電阻值Rn為0.2875Ω，其值小于最大允許值4Ω，同時(shí)與CDEGS軟件計(jì)算得出的接地網(wǎng)接地電阻值0.3035Ω在誤差10%以內(nèi)。

均勻土壤中水平接地極為主邊緣閉合的接地網(wǎng)的接地電阻值的簡(jiǎn)易算法可由下式求得，具此算出接地電阻值Rn為0.2993Ω。但是僅適合在大型接地網(wǎng)中使用。

2.2 接地網(wǎng)沖擊電阻計(jì)算

沖擊電阻是指接地裝置流過雷電沖擊電流時(shí)所表現(xiàn)出的電阻值，沖擊電流相當(dāng)于調(diào)頻電流的情形，強(qiáng)大的沖擊電流流入土壤后會(huì)形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，產(chǎn)生的電流密度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象，土壤的等值電阻率將大為減小，也可認(rèn)為土壤電阻率不變但接地體的等值直徑已大為增加，所以此時(shí)接地體的沖擊接地電阻將比工頻接地電阻小。沖擊電阻可由工頻接地電阻求得，其算式如下：

其中，α為沖擊系數(shù)，沖擊電流單端流入和中部流入水平接地極的沖擊系數(shù)分別見下式，其中Ii為沖擊電流可取5kA、10kA、20kA、40kA、80kA，由于沖擊電流越小求得的沖擊系數(shù)越大，同等條件下此處取最小的沖擊電流計(jì)算沖擊系數(shù)。

代入土壤電阻率及水平接地網(wǎng)總長(zhǎng)度可求得單端流入和中部流入水平接地極的沖擊系數(shù)分別為10.5和7.5。具此可求得接地裝置的沖擊電阻分為3.02Ω和2.15Ω。取其最大值進(jìn)而按下式求得復(fù)合接地極的沖擊電阻為4.83Ω。

其中，ηi為計(jì)及各接地極間相互影響的沖擊利用系數(shù)，可取值為0.75。沖擊電流允許值不超過10Ω可知此次接地網(wǎng)設(shè)計(jì)滿足基本要求。

2.3 接地體外引長(zhǎng)度計(jì)算

一般光伏場(chǎng)區(qū)占地面積比較大，覆蓋的地貌地形種類多，不可避免的會(huì)存在一些高土壤電阻率（ρ＞500Ω·m）、甚至是巖石、碎石的地區(qū)，為了有效地解決接地電阻過高的問題，可采取布放降阻劑或敷設(shè)外引接地體的方式以達(dá)到降低工頻接地電阻的目的，對(duì)于集中接地體，沖擊系數(shù)α一般小于1，但對(duì)于長(zhǎng)度很大的外引接地體來說，由于沖擊電流的電感效應(yīng)，其值也可能大于1。由于一類防雷措施沖擊電阻的允許值不超過10Ω，三類防雷措施沖擊電阻的允許值不超過30Ω，因此對(duì)于沖擊電流來說接地體不能無限制外延。

在場(chǎng)區(qū)2000m以內(nèi)若有較低電阻率的土壤時(shí)，為降低接地電阻值并減小沖擊電阻值，其敷設(shè)外引接地體的最大外引長(zhǎng)度應(yīng)由下式確定。

將數(shù)據(jù)代入上式，可得接地體最大外引長(zhǎng)度為51.5m。

3 場(chǎng)區(qū)接地網(wǎng)接觸電位差計(jì)算

3.1 接觸電位差允許值

場(chǎng)區(qū)接地網(wǎng)接觸電位差的允許值應(yīng)滿足下式計(jì)算出的數(shù)值，布設(shè)的接地網(wǎng)經(jīng)計(jì)算得出的接觸電位差值Ut應(yīng)與此數(shù)值進(jìn)行比較，且不應(yīng)超過此值，若超過允許數(shù)值應(yīng)采取降低措施或采用抬高允許值的措施。

式中，Cs為表層衰減系數(shù)；ρ為下層土壤電阻率；ρs為表層土壤電阻率；hs為表層土壤厚度；ts接地故障電流持續(xù)時(shí)間。

將地堪巖土報(bào)告中測(cè)得不同深度下各探棒間土壤電阻率數(shù)值依次輸入至CDEGS軟件中，經(jīng)其計(jì)算可得出土壤分層電阻率數(shù)值，其中表層土壤電阻率為52.7Ω·m，表層土壤厚度為0.187m，下層土壤電阻率為962.6Ω·m，接地故障電流持續(xù)時(shí)間取1s。

將上述數(shù)值代入至上面的算式中，可得表層衰減系數(shù)為4.51，允許接觸電位差值為214.3V；考慮到5%的允許誤差因素，對(duì)允許接觸電位差值進(jìn)行修正，得到其修正后的數(shù)值為212.3V。

3.2 接觸電位差計(jì)算及修正

系統(tǒng)接地故障時(shí)接地網(wǎng)的產(chǎn)生接觸電位差值應(yīng)按下式計(jì)算。

其中，LT，KT，Ki可分別按下式求得

由于接觸電位差與跨步電壓差會(huì)隨著平行導(dǎo)體間間距的增加而增大，此計(jì)算過程中是按規(guī)范要求中取最大值20m進(jìn)行計(jì)算的。代入場(chǎng)區(qū)接地網(wǎng)中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可求得地接地網(wǎng)的有效埋設(shè)長(zhǎng)度LT為27815.2m，接觸電位差網(wǎng)孔電壓幾何校正系數(shù)KT為1.307，接地網(wǎng)不規(guī)則校正系數(shù)Ki為0.7673；將上述數(shù)據(jù)修正系數(shù)代入接地網(wǎng)接觸電位差算式中求得其值為7.21V，其值小于接地網(wǎng)接觸電位差允許值212.3V，場(chǎng)區(qū)接地網(wǎng)的接地設(shè)置形式滿足要求。

4 場(chǎng)區(qū)接地網(wǎng)跨步電位差計(jì)算

4.1 跨步電位差允許值

場(chǎng)區(qū)接地網(wǎng)跨步電位差的允許值應(yīng)滿足下式計(jì)算出的數(shù)值，布設(shè)的接地網(wǎng)經(jīng)計(jì)算得出的跨步電位差值Us應(yīng)與此數(shù)值進(jìn)行比較，且不應(yīng)超過此值，若超過允許數(shù)值應(yīng)采取降低措施或采用抬高允許值的措施

將數(shù)值代入算式中，可得表層衰減系數(shù)為4.51，允許跨步電位差值為340.1V；考慮到5%的誤差因素，對(duì)允許跨步電位差值進(jìn)行修正，得到其修正后的數(shù)值為331.8V。

4.2 跨步電位差計(jì)算及修正

系統(tǒng)接地故障時(shí)接地網(wǎng)的產(chǎn)生接觸電位差值應(yīng)按下式計(jì)算。

其中，LS，KS可分別按下式求得

由于接觸電位差與跨步電壓差會(huì)隨著平行導(dǎo)體間間距的增加而增大，此計(jì)算過程中是按規(guī)范要求中取最大值20m進(jìn)行計(jì)算的。代入場(chǎng)區(qū)接地網(wǎng)中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可求得地接地網(wǎng)的有效埋設(shè)長(zhǎng)度LS為20798.8m；接觸電位差網(wǎng)孔電壓幾何校正系數(shù)KS為0.195；接地網(wǎng)不規(guī)則校正系數(shù)Ki為0.7673；將上述數(shù)據(jù)修正系數(shù)代入接地網(wǎng)接觸電位差算式中求得其值為1.43V，其值小于接地網(wǎng)接觸電位差允許值331.8V，場(chǎng)區(qū)接地網(wǎng)的接地設(shè)置形式滿足要求。

5 接地體熱穩(wěn)定及腐蝕年限校驗(yàn)

5.1 接地體最小熱穩(wěn)定截面

根據(jù)GB／T50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中提供的算式計(jì)算。

其中，Sg為接地導(dǎo)體的最小截面，其單位為mm2；Ig為流過接地導(dǎo)體的最大接地故障不對(duì)稱電流有效值取200A；te為接地故障等效持續(xù)時(shí)間取1s；C為接地導(dǎo)體材料的熱穩(wěn)定系數(shù)，鋼材和鋁材的熱穩(wěn)定系數(shù)分別取70和120。

熱穩(wěn)定校驗(yàn)后，最小截面為2.86mm2，所選用的扁鋼、角鋼等效截面積分別為250mm2、502mm2，具此可選出扁鋼與角鋼的在項(xiàng)目建設(shè)初期幾年內(nèi)的規(guī)格。

5.2 接地體腐蝕年限

土壤為不腐蝕或弱腐蝕情況下，需要考慮土壤對(duì)接地導(dǎo)體截面腐蝕的影響，接地網(wǎng)計(jì)及腐蝕影響后，接地體的使用年限或等效截面的選擇，應(yīng)與地面工程的使用年限相一致。

對(duì)鍍鋅事鍍錫的扁鋼、圓鋼埋于地下的部分，其腐蝕速度按0.065mm每年考慮，并對(duì)焊接處涂刷防腐材料，使用年限取25～30年。

計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)第2部分中提及的算式，對(duì)不同形式的接地體進(jìn)行等效直徑轉(zhuǎn)換，等效圓鋼的壁厚取3.5mm。

由此計(jì)算出30年后經(jīng)土壤腐蝕作用后，扁鋼接地體及角鋼接地體的等效截面積分別為152.5mm2、213.2mm2。

與接地體允許的最小熱穩(wěn)定截面進(jìn)行比較，接地體經(jīng)充分腐蝕后的等效截面仍能滿足其使用要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文系統(tǒng)介紹了高寒地區(qū)大面積接地裝置接地工頻電阻、沖擊電阻、接觸電位差、跨步電位差及熱穩(wěn)定和腐蝕性校驗(yàn)的計(jì)算進(jìn)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、計(jì)算方法及數(shù)據(jù)修正過程，對(duì)計(jì)算數(shù)值與限值、允許值之間的邏輯關(guān)系做了詳細(xì)的闡述，通過對(duì)接地體的形狀系數(shù)、電壓幾何校正系數(shù)、有效埋設(shè)長(zhǎng)度、埋深系數(shù)、等效平行導(dǎo)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以最大限度算出接地裝置的真實(shí)接地電阻。

通過與CDEGS軟件計(jì)算出的接地電阻數(shù)據(jù)（0.303Ω）相比較，與本文介紹的計(jì)算數(shù)據(jù)偏差在2%以內(nèi)，并且可得到軟件無法給出的熱穩(wěn)定、腐蝕年限、沖擊電阻、引外敷設(shè)長(zhǎng)度等接地裝置中非常重要的電氣數(shù)據(jù)。

目前已基于此計(jì)算方法形成了關(guān)于復(fù)合接地網(wǎng)及桿、塔、導(dǎo)線、建筑基礎(chǔ)接地裝置、采取降阻措施后接地電阻計(jì)算的計(jì)算書，只需輸入如接地體長(zhǎng)度、埋深等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，便可自動(dòng)計(jì)算出接地裝置的全部電氣參數(shù)，為后續(xù)工程提供快速可靠的數(shù)據(jù)支撐。