利用CDEGS對高土壤電阻率地面光伏電站接地網(wǎng)的研究

王超柱

摘 要：對于高土壤電阻率地區(qū)的地面光伏電站的接地網(wǎng)設計，因現(xiàn)行規(guī)范不能對多層土壤計算，計算結果一般較為保守。利用專業(yè)的接地計算軟件CDEGS可以建立精確的多層土壤模型，優(yōu)化設計方案。本文利用CDEGS對某高土壤電阻率光伏電站接地網(wǎng)的原設計方案進行了優(yōu)化，并與工程竣工后的接地網(wǎng)測試值進行了比較，得出經(jīng)CDEGS優(yōu)化后的方案不僅可以降低造價，計算值也與實際測試值十分接近。

關鍵詞：高土壤電阻率；CDEGS；光伏電站；接地網(wǎng)設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.127

0 引言

目前，許多大型光伏電站建設在戈壁地區(qū)，其特點是地表土壤電阻率非常高，地表以下土壤電阻率下降較快?，F(xiàn)行國家標準GB50065‐2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》中，對于復合接地網(wǎng)，只能按照均勻土壤來進行計算， 計算結果較為保守。設計人員為了達到接地電阻要求，盡可能多敷設水平接地網(wǎng)和垂直接地極。一般但工程竣工后，經(jīng)實測電阻值都遠小于設計值，由此造成電站投資的浪費。

本文利用接地計算軟件CDEGS對某光伏電站接地網(wǎng)設計進行改進，對多層土壤建模、接地極數(shù)量優(yōu)化及動態(tài)仿真，得到最優(yōu)的設計方案， 竣工后的實測值與設計值十分接近。

1 光伏電站接地特點及CDEGS軟件簡介

1.1 接地電阻

光伏發(fā)電站一般分為發(fā)電區(qū)和升壓站區(qū)，現(xiàn)行規(guī)范要求發(fā)電區(qū)接地電阻應小于4Ω，升壓站區(qū)接地電阻小于1Ω。

1.2 接地網(wǎng)

發(fā)電站區(qū)主要是復合接地網(wǎng)。由于占地面積較大，根據(jù)規(guī)范公式R= 0.5ρ/S，接地電阻一般很容易滿足應小于4Ω的要求。而升壓站區(qū)域，在高土壤電阻率的情況下，若采用普通的復合接地網(wǎng)，將很難滿足小于1Ω的要求，一般可采用深埋接地極并采用降阻劑處理、外延接地網(wǎng)等方式。

1.3 CDEGS軟件包介紹

CDEGS是加拿大SES公司推出的專業(yè)電站接地和土壤結構分析軟件包。其能夠模擬任意層、任意形狀的土壤，并具有接地系統(tǒng)設計分析、計算地表電位分布等功能。目前，光伏電站的接地網(wǎng)設計主要是基于經(jīng)驗公式，存在著設計的盲目性和隨機性，如果接地電阻測試不合格后，再進行設計變更，很大程度上影響整個工程建設進度。CEDGS軟件的出現(xiàn)為電氣工程技術人員高效地設計安全的接地網(wǎng)提高了可靠的技術保證。

2 某光伏發(fā)電站接地網(wǎng)模擬及特性研究

2.1 現(xiàn)場概述

A、發(fā)電區(qū)域占地面積為327畝，等效為450mx490m；開閉所區(qū)域占地面積為16畝，等效為100mx100m；

B、35kV母線采用單母線分段，每段各通過1臺接地變和消弧線圈接地，每臺消弧線圈容量為800kVA。

C、季節(jié)性凍土層深度為2.5m。

D、發(fā)電站區(qū)接地電阻要求不大于4Ω，35kV開閉所接地電阻要求不大于4Ω。

E、據(jù)現(xiàn)場踏勘，電阻率測試，現(xiàn)場土層電阻率測值詳見表1。

2.2 原設計方案

水平接地極采用60×6鍍鋅扁鋼16000m， 垂直接地極采用63x6鍍鋅角鋼（2.5m長）234根，埋設深度為2.5m。

開閉所區(qū)域采用水平接地極與深井接地極相結合，水平接地極采用60×6鍍鋅扁鋼2000m，垂直接地極采用10根3x6鍍鋅角鋼（2.5m長），埋設深度為20m。

2.3 利用CDEGS對發(fā)電站區(qū)的接地網(wǎng)進行優(yōu)化設計

根據(jù)相關數(shù)據(jù)，計算得到入地短路電流為313.2A，依據(jù)簡易公式R= 0.5ρ/S，計算得到接地電阻為12.3Ω，最大接觸電壓為803.5V，最大跨步電壓差為91.5V。規(guī)范規(guī)定的最大接地電阻為4Ω，最大接觸電壓為695.2V，最大跨步電壓為2630.8V，由此看出，除了跨步電壓符合要求外，其余2項均不符合規(guī)范要求。

首先利用CDEGS構建土壤結構模型，為5層平均土壤，空氣層和最底層為無窮大厚度。

優(yōu)化后的方案與原方案對比如表2。

可以看出，利用CEDGS優(yōu)化后，接地電阻和跨步電壓都有極大地降低，另外，接地極材料的數(shù)量也大幅下降。

2.4 利用CDEGS對開閉所區(qū)域的接地網(wǎng)進行優(yōu)化設計

依據(jù)簡易公式R= 0.5ρ/S，水平復合接地網(wǎng)的接地電阻為62.6Ω， 根據(jù)接地規(guī)范要求，由安全接觸電壓、跨步電壓反推計算接地電阻允許值為8.57Ω，因此必須采取措施降低接地電阻。設計采用在開閉所周圍設置6個接地深井，深度為20m， 接地深井內埋設60x6x2500mm的角鋼， 接地極處加降阻劑并采用黃土回填。

根據(jù)項目地勘報告，地下水位埋深約15m，電阻率為60Ω.m

根據(jù)公式

土壤電阻率（ρ） = 60 （Ω.m）

垂直接地體長度（l） = 2.5 （m）

接地極的埋設深度（t） = 20 （m）

角鋼接地極的寬（b） = 0.06 （m）

角鋼接地極的厚（h） = 0.06 （m）

計算得到，6根垂直接地體的接地電阻Rt = 2.95（Ω）

水平接地體的接地電阻Rs = 62.6（Ω）

根據(jù)IEEE Std 80-2000的計算公式：

得到開閉所區(qū)域的復合接地電阻為2.36Ω

利用CDEGS優(yōu)化后的方案與原方案對比如下：

可以看出，運用CEDGS仿真分析得到的結果和采用經(jīng)驗值的結果相近。

3 結論

由以上可知，根據(jù)經(jīng)驗公式計算的接地電阻值都偏保守，設計人員一般偏向于盡可能多的敷設接地極數(shù)量保證達到設計要求。CDEGS軟件可以對多層土壤進行精確地仿真分析，經(jīng)優(yōu)化后的接地電阻、接觸電壓和跨步電壓都有顯著的降低，并且優(yōu)化方案可以使得工程投資大幅降低。

參考文獻：

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[4]IEEE Std 80-2000.交流變電站接地安全指南[S].endprint