智慧能源站的接地系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 凡，謝 彬，徐婷婷，孔 林，劉光華

(中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

0 引言

隨著電力信息化、新能源發(fā)電、儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，傳統(tǒng)意義的變電站開始向智慧能源站轉(zhuǎn)變，國內(nèi)開始建設(shè)首批智慧能源站。智慧能源站是集變電站、數(shù)據(jù)中心站、儲(chǔ)能站、分布式光伏等部分的綜合能源體。

長(zhǎng)期以來高壓電力系統(tǒng)和信息通信系統(tǒng)水火不容，電力系統(tǒng)對(duì)信息通信系統(tǒng)的危險(xiǎn)影響非常嚴(yán)重[1]。變電站發(fā)生接地短路時(shí)，故障電流可達(dá)數(shù)千安培，地電位升高會(huì)造成通信系統(tǒng)的損毀。因此，為維護(hù)設(shè)備安全可靠運(yùn)行、保障運(yùn)行人員和設(shè)備安全，需設(shè)置智慧能源站接地系統(tǒng)。但是，目前并未有針對(duì)智慧能源站制定相關(guān)的接地標(biāo)準(zhǔn)，且智慧能源站的設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足，因此，有必要對(duì)智慧能源站接地系統(tǒng)予以研究。

1 主接地網(wǎng)型式的選擇

以往工程中，為避免入地故障電流產(chǎn)生的地電位升及地電位差對(duì)信息通信設(shè)備造成破壞、威脅人身安全，高壓輸變電系統(tǒng)和信息通信系統(tǒng)采用的主要技術(shù)措施是兩者相互遠(yuǎn)離[2-4]。但是對(duì)于智慧能源站，作為一個(gè)有機(jī)能源綜合體，變電站和數(shù)據(jù)中心站采用合建方式。因此，變電站、數(shù)據(jù)中心站、儲(chǔ)能站、光伏等各部分的地網(wǎng)采用緊密合建，還是相互獨(dú)立，本節(jié)通過CDEGS軟件仿真進(jìn)行驗(yàn)證[5]。

為使接地系統(tǒng)具備工程實(shí)際意義，本文基于湖南某智慧能源站開展相關(guān)研究。該智慧能源站包括變電站、數(shù)據(jù)中心、儲(chǔ)能站、分布式光伏(布置在建筑物屋頂)四個(gè)部分，圍墻長(zhǎng)寬為154 m×82 m，如圖1所示。變電站位于丘陵地區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)土壤電阻率后，通過CDEGS軟件反演出土壤電性分層模型，如表1 所示，水平三層結(jié)構(gòu)，土壤電阻率較高。本站在考慮分流系數(shù)后，變電站的入地故障電流為10.98 kA。

圖1 湖南某智慧能源站平面布置示意圖

表1 智慧能源站土壤電阻率

為使故障電流能夠向大地有效散流，智慧能源站設(shè)計(jì)了三種型式的主接地網(wǎng)：各部分獨(dú)立地網(wǎng)、獨(dú)立地網(wǎng)之間通過單根導(dǎo)體互聯(lián)和整體地網(wǎng)。利用CDEGS軟件進(jìn)行仿真計(jì)算[5]，各地網(wǎng)型式的地電位升分布如圖2～圖4所示。

圖2 各部分獨(dú)立地網(wǎng)地電位升三維分布圖

圖3 單根導(dǎo)體互聯(lián)的接地網(wǎng)電位升三維分布圖

圖4 整體接地網(wǎng)地電位升三維分布圖

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，在每個(gè)獨(dú)立地網(wǎng)內(nèi)部，地電位升的分布是非常均勻的，只有在獨(dú)立地網(wǎng)之間的“空地”上，會(huì)發(fā)生較大的地電位升降低。各部分地網(wǎng)相互獨(dú)立時(shí)，在相同故障下變電站接地網(wǎng)上的地電位升遠(yuǎn)高于其他部分，從而導(dǎo)致了二者之間產(chǎn)生較大的電位差。地網(wǎng)之間采用單導(dǎo)體互聯(lián)時(shí)，臨近區(qū)域的地網(wǎng)地電位升會(huì)抬升，變電站地網(wǎng)與其它部分地網(wǎng)之間電位差減小，變電站的地網(wǎng)地電位升較相互獨(dú)立地網(wǎng)時(shí)減少35.5%。當(dāng)各部分地網(wǎng)互聯(lián)時(shí)，各部分地網(wǎng)的地電位升差異變小，隨著不同地網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)導(dǎo)體數(shù)量增多，并最終形成一張大地網(wǎng)時(shí)，整個(gè)區(qū)域內(nèi)的地電位升應(yīng)基本趨于一致，地網(wǎng)的地電位升差值僅為6.9 V。

因此，各地網(wǎng)相互緊密連接時(shí)，各地網(wǎng)之間將獲得良好的均壓效果，可保證人身和設(shè)備安全。故本站考慮建立共用的整體主接地網(wǎng)，各部分均通過此地網(wǎng)接地。

2 智慧能源站接地要求的確定

由于變電站、數(shù)據(jù)中心站、儲(chǔ)能站、光伏采用整體主接地網(wǎng)，但是各部分對(duì)于主接地網(wǎng)的要求各不相同，詳見下列規(guī)范：

1)根據(jù)GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中4.2.1條規(guī)定：一般情況下，R≤2 000/I。在符合本規(guī)程4.3.3條的規(guī)定時(shí)，接地網(wǎng)地電位升還可以進(jìn)一步提高至5 kV；必要時(shí)，經(jīng)專門計(jì)算，且采取的措施可確保人身和設(shè)備安全可靠時(shí)，接地網(wǎng)地電位升還可以進(jìn)一步提高。

2)根據(jù)GB50174—2017 《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》8.4.2 條規(guī)定：保護(hù)性接地和功能性接地宜共用一組接地裝置，其接地電阻應(yīng)按其中最小值確定。但該規(guī)范并未給出相應(yīng)的具體要求值和計(jì)算公式。

3)根據(jù)GB/T 51048—2014《電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》6.6.3條規(guī)定：接地設(shè)計(jì)，應(yīng)敷設(shè)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T 50065 的規(guī)定。

4)根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》8.8.4條規(guī)定：光伏方陣接地應(yīng)連續(xù)、可靠，接地電阻不大于4歐姆。

綜合智慧能源站各部分的規(guī)范接地要求，當(dāng)電纜長(zhǎng)度不超過接地網(wǎng)邊長(zhǎng)的一半時(shí)，在最嚴(yán)酷的條件下，芯—屏蔽層電位差小于40%，甚至更小。因此采用二次電纜屏蔽層雙端接地，可以將地電位升高放寬到2 kV/(40%)=5 kV，但作用在二次電纜芯—屏蔽層之間和二次設(shè)備上的電位差只有2 kV，滿足了二次系統(tǒng)安全的要求。故智慧能源站的接地電阻應(yīng)滿足跨步電位差、接觸電位差、5 000/I的地電位升要求，且不應(yīng)大于4Ω。

根據(jù)GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》提供的校驗(yàn)公式，跨步電位差限值的計(jì)算公式為：

接觸電位差限值的計(jì)算公式為：

式中：ρs為地表層的電阻率；Cs為表層衰減系數(shù)；ts為接地故障電流持續(xù)時(shí)間。

3 接地系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算

本站首先采用常規(guī)水平接地網(wǎng)和垂直接地極組成的復(fù)合接地網(wǎng)，主地網(wǎng)水平接地體采用40×4 mm的扁銅，垂直接地體采用2.5 m長(zhǎng)的D20 mm銅棒。經(jīng)仿真計(jì)算，最大地電位升為54 186.7 V，接觸電位差和跨步電位差均不滿足限值要求。一般智慧能源站的占地較小，一旦土壤電阻率較高，普通的主接地網(wǎng)方案無法滿足接地電阻的要求。為此，可以根據(jù)站址的地質(zhì)和水文條件，在地網(wǎng)橫向占地面積和縱向跨越深度方面考慮，采用多種降阻措施共用的方法進(jìn)行降阻，建立復(fù)合立體主接地網(wǎng),如圖5所示。

圖5 復(fù)合立體主接地網(wǎng)軟件建模

通過采用連接至自然接地體、擴(kuò)大地網(wǎng)、深井接地等降阻措施，經(jīng)軟件仿真計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表2所示。采用復(fù)合立體接地系統(tǒng)后的接地電阻為0.425Ω，最大接觸電位差507.958 V，最大跨步電位差195.996 V，均滿足最大限值要求，全站的接地系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)化效果顯著。

表2 接地系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

智慧能源站接地系統(tǒng)是維護(hù)設(shè)備安全可靠運(yùn)行、保障運(yùn)行人員和設(shè)備安全的根本保證和重要措施。經(jīng)分析不同型式主接地網(wǎng)的地電位升后，采用共用整體主接地網(wǎng)的均壓效果最好。在分析各部分對(duì)于接地網(wǎng)的要求后，智慧能源站接地電阻應(yīng)滿足跨步電位差、接觸電位差、5 000/I的要求，且不應(yīng)大于4Ω。由于采用常規(guī)水平接地網(wǎng)和垂直接地極組成的復(fù)合接地網(wǎng)無法滿足接地電阻要求，因此在地網(wǎng)橫向占地面積和縱向跨越深度方面考慮，采用多種降阻措施共用的方法進(jìn)行降阻，建立復(fù)合立體主接地網(wǎng)。