光伏電站復(fù)合接地體電阻穩(wěn)定性及適應(yīng)性研究

朱青云，韓宏偉

(1.青海省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所， 西寧 810008； 2.青?？稍偕茉囱芯克?西寧 810003)

青藏高原地區(qū)因土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電阻率普遍較高，接地電阻難以達(dá)到國(guó)家有關(guān)規(guī)范，大大增加了接地系統(tǒng)工程難度。隨著青海光伏電站發(fā)電功率及系統(tǒng)容量的日趨增大，接地網(wǎng)電阻穩(wěn)定性和腐蝕成為目前光伏電站最為突出的問(wèn)題之一[1-2]。因此，基于光伏電站存在接地網(wǎng)電阻過(guò)大導(dǎo)致電流突增、運(yùn)行環(huán)境惡劣等問(wèn)題，合理地選擇接地防腐降阻材料和設(shè)計(jì)復(fù)合組網(wǎng)接地體是電站穩(wěn)定、安全運(yùn)行的關(guān)鍵[3]。關(guān)于接地系統(tǒng)建設(shè)方面，國(guó)外研究起步較早，在試驗(yàn)方法、軟件開(kāi)發(fā)和計(jì)算方法等方面均開(kāi)展了大量研究，但其在國(guó)內(nèi)的適用性方面存在局限性[1-4]。國(guó)內(nèi)也已有接地體材料、類(lèi)型，接地電阻測(cè)量方法和影響因素的相關(guān)研究[5-8]。劉保綱等[9-10]研究分析了異質(zhì)土壤對(duì)接地網(wǎng)接地電阻的影響；藍(lán)信軍等國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)接地降阻材料的應(yīng)用效果進(jìn)行了相關(guān)分析與評(píng)價(jià)[10-12]。龔梅竹等[13-14]針對(duì)常用接地極在高原砂礫層的特性及適用性進(jìn)行研究。李麗佳等[15-16]分析和研究了離子棒、垂直接地極、斜接地極和深水井接地極的降阻機(jī)理與特性，對(duì)變電站接地降阻優(yōu)化選型技術(shù)提供理論及實(shí)踐依據(jù)。吳運(yùn)策等[17]發(fā)現(xiàn)不同的接地材料結(jié)合使用，既能降低材料使用量，又能提高運(yùn)行穩(wěn)定性。關(guān)于接地降阻方法已有很多研究，但是針對(duì)青藏高原特殊環(huán)境下光伏電站接地體電阻穩(wěn)定性及適應(yīng)性分析的相關(guān)研究較少。本文通過(guò)對(duì)青藏高原地區(qū)共和縣光伏電站不同接地體電阻進(jìn)行實(shí)測(cè)，分析了高寒、高海拔地區(qū)溫、濕度及土層結(jié)構(gòu)對(duì)接地體電阻的影響，重點(diǎn)討論了復(fù)合組網(wǎng)接地體的接地效果，提出了復(fù)合組網(wǎng)接地體在該地區(qū)的降阻方案，為接地系統(tǒng)降阻和穩(wěn)定性等設(shè)計(jì)提供實(shí)踐和理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)工況

1.1 實(shí)驗(yàn)工況

本研究選取青海省海南州共和縣塔拉灘光伏產(chǎn)業(yè)園區(qū)某新能源公司共和光伏電站一期(測(cè)量場(chǎng)地A)和二期(測(cè)量場(chǎng)地B)建立實(shí)驗(yàn)基地，通過(guò)埋設(shè)常用6種光伏電站接地極并定期測(cè)試接地電阻值。試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)位于青藏高原地區(qū)共和縣恰卜恰鎮(zhèn)，其氣候及環(huán)境特點(diǎn)大致為：海拔約2 920 m；季節(jié)性?xún)鐾?，最大凍土深度?.40 m，具有砂礫層結(jié)構(gòu)土壤特征的光伏電站A和B。其中，兩場(chǎng)地土層結(jié)構(gòu)及電阻率如表1所示。

表1 場(chǎng)地土層結(jié)構(gòu)及電阻率

1.2 接地體

本實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了6種不同類(lèi)型單體接地體的接地電阻，分別為：銅包鋼接地極、離子接地極、石墨接地模塊、鍍鋅角鋼、鍍鋅圓鋼、SZJ接地體。所用的接地材料的規(guī)格情況為：銅包鋼接地極Tom-2025，接地模塊ZGD-1，離子接地極Φ30×1 500，鍍鋅扁4×40，鋼鍍鋅角鋼50×50×5，鍍鋅圓鋼Φ10Φ16，SZJ鋼制接地體為Φ600×1 000。具體的物理特性如表2所示。

表1 接地體及相關(guān)特性

1.3 設(shè)備及檢測(cè)方法

實(shí)驗(yàn)儀器：成都華衡的DS1923型紐扣式溫濕度記錄儀；英國(guó)Megger的DET2/2型接地阻抗測(cè)試儀；意大利HT的HTGE0416接地電阻檢測(cè)儀。

接地網(wǎng)布置：在A、B場(chǎng)區(qū)分別設(shè)置6個(gè)試驗(yàn)接地網(wǎng)并采用雙排呈一字型分布，網(wǎng)間距為5 m。每個(gè)接地網(wǎng)的4個(gè)接地體采用矩形布置且首尾相連成閉合成環(huán)。各接地網(wǎng)垂直接地體采用鉆孔和挖坑等方式埋設(shè)。水平接地體之間及水平接地體與垂直之間連接方式符合《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057—2010[18]及《國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集》[19]相關(guān)要求。接地網(wǎng)連接通過(guò)焊接及相關(guān)專(zhuān)用連接材料等連接方式，并對(duì)相關(guān)部位進(jìn)行防腐處理。接地網(wǎng)測(cè)試點(diǎn)根據(jù)具體安裝情況安排在試驗(yàn)場(chǎng)地一端，并在地面預(yù)留30 cm測(cè)試接線(xiàn)端子。在接地網(wǎng)安裝時(shí)，水平接地溝深度不小于2.0 m，溝頂寬0.8 m，溝底寬度0.8 m。接地溝應(yīng)保證溝底水平，并清除溝底雜物和直徑大于10 cm的石塊。接地體安裝完成后應(yīng)及時(shí)回填，并分層夯實(shí)。

為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，采用同一場(chǎng)區(qū)兩組數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值作為該場(chǎng)地的溫、濕度值，采用每測(cè)試日10∶50—11∶40時(shí)間段內(nèi)接地電阻的一組數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)接地體電阻測(cè)量

本實(shí)驗(yàn)采用垂直接地極，依據(jù)GB/T50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》[20]，垂直接地理論電阻計(jì)算公式如下：

(1)

式中：R、d及l(fā)分別為土壤電阻率(Ω·m)，接地體直徑(m)和垂直接地極入地長(zhǎng)度(m)。

雙層土壤中地網(wǎng)接地電阻近似計(jì)算公式為[21]

(2)

式中，S，ρd=ρ1+(ρ2-ρ1)K分別為地網(wǎng)面積(m2)和等值土壤電阻率(Ω·m)，其中ρ1，ρ2和K=0.6分別指上、下層土壤電阻率(Ω·m)和相關(guān)系數(shù)[17]。

于是，將式(2)代入式(1)，最終得出垂直接地理論電阻為

(3)

假設(shè)測(cè)量裝置回路的總電阻為Rt，即

Rt=Rg+Rv

(4)

式中：Rg為接地極電阻；Rv為垂直接地土壤電阻。

根據(jù)相關(guān)分析，接地網(wǎng)電阻測(cè)量設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要因素有：接地網(wǎng)的面積，接地網(wǎng)的埋深，接地網(wǎng)的形狀，接地體半徑和土壤等。本文中通過(guò)實(shí)際測(cè)量總電阻數(shù)據(jù)，最終計(jì)算得出如下接地體電阻相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 溫、濕度對(duì)接地體電阻的影響

2018年8月到2019年9月期間，測(cè)試場(chǎng)地A、B的溫、濕度變化趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 測(cè)量場(chǎng)地A，B的溫、濕度變化曲線(xiàn)

測(cè)量結(jié)果表明：測(cè)試場(chǎng)地A、B測(cè)試時(shí)間段的最高溫度均出現(xiàn)在8月中旬，分別為 17.3 ℃和19.3 ℃，相差2.0 ℃；最低值均出現(xiàn)在1 月中旬，分別為-1.80 ℃和-3.0 ℃，相差1.2 ℃；且溫度隨時(shí)間變化較為明顯，A、B場(chǎng)地溫度最大差值分別為19.1 ℃和22.3 ℃。A、B場(chǎng)地的土壤濕度隨著時(shí)間變化較小，但水分含量均較高，且測(cè)試場(chǎng)地A濕度略大于測(cè)試場(chǎng)地B，這主要與測(cè)試場(chǎng)地的土層結(jié)構(gòu)有關(guān)，測(cè)試場(chǎng)地A土壤主要為沙礫土，而測(cè)試場(chǎng)地B土壤為沙礫土間雜有較多鵝卵石，土質(zhì)相對(duì)較為細(xì)密的場(chǎng)地A比場(chǎng)地B更易保持水分。

圖2、3分別顯示了測(cè)量場(chǎng)地A和測(cè)量場(chǎng)地B中溫、濕度對(duì)接地體電阻的影響。根據(jù)圖2、3可知：同一接地體在不同溫、濕度環(huán)境下電阻變化明顯存在差異，其中溫度變化與濕度變化對(duì)接地體電阻變化的影響也存在明顯區(qū)別，溫度與接地電阻值之間呈弱負(fù)相關(guān)，濕度與接地電阻呈弱正相關(guān)。

圖2 測(cè)量場(chǎng)地A接地體電阻隨溫度和濕度的變化曲線(xiàn)

圖3 測(cè)量場(chǎng)地B接地體電阻隨溫度和濕度的變化曲線(xiàn)

3.2 接地體類(lèi)型對(duì)接地電阻的影響

圖4反映了測(cè)量場(chǎng)地A和B中6種不同類(lèi)型單體接地體的接地電阻測(cè)量值的變化趨勢(shì)。圖4結(jié)果表明：測(cè)量場(chǎng)地A中，不同類(lèi)型接地體的接地電阻大小為： SZJ接地裝置>銅包鋼接地極>離子接地極>角鋼接地極>圓鋼接地極>石墨接地模塊。測(cè)量場(chǎng)地B中，不同類(lèi)型接地體的接地電阻大小為：SZJ接地裝置>離子接地極>銅包鋼接地極>角鋼接地極>圓鋼接地極>石墨接地模塊。各個(gè)類(lèi)型接地體電阻最大值均出現(xiàn)于1月份，且接地電阻變化存在較大差異，SZJ接地裝置的變化較為明顯。因此，單體接地體類(lèi)型對(duì)接地電阻具有較大的影響。

圖4 不同類(lèi)型接地體的接地電阻曲線(xiàn)

3.3 單體接地體接地效果分析

圖5給出了測(cè)量場(chǎng)地A、B單體接地體接地電阻的季度變化及年平均值情況。由圖5可知：?jiǎn)误w接地體冬季時(shí)其電阻值較大，其次分別是春季、秋季和夏季，也即夏季電阻值偏小。圖5也反映出，對(duì)于不同類(lèi)型接地體中，SZJ接地體在測(cè)量場(chǎng)地A的接地電阻明顯小于場(chǎng)地B，其余接地體在場(chǎng)地A的接地電阻明顯大于場(chǎng)地B對(duì)應(yīng)值。因此，對(duì)于同一類(lèi)型接地體，接地體的接地電阻受場(chǎng)地的影響較為明顯。該測(cè)量結(jié)果進(jìn)一步反映了單體接地體接地電阻不僅受到溫濕度的影響，還受到土壤結(jié)構(gòu)的明顯影響。

圖5 測(cè)量場(chǎng)地A、B單體接地體季度及年度電阻變化曲線(xiàn)

3.4 組合接地體接地效果分析

圖6給出了測(cè)量場(chǎng)地A、B兩組網(wǎng)接地體電阻季度變化及年平均值情況。從圖6結(jié)果看出：兩種不同類(lèi)型接地體的組合接地體電阻值波動(dòng)明顯，但隨季節(jié)變化波動(dòng)趨勢(shì)基本一致。其中，離子接地體與SZJ接地裝置組網(wǎng)接地和角鋼與SZJ接地裝置組網(wǎng)接地其電阻值波動(dòng)較大。相比單體接地體電阻，兩網(wǎng)接地體電阻值較低。

圖6 兩網(wǎng)組合接地體電阻值及電阻值隨季度變化曲線(xiàn)

圖7給出了測(cè)量場(chǎng)地A、B四組網(wǎng)接地體電阻季度變化及年平均值情況。A場(chǎng)地季節(jié)電阻變化較為明顯，且圓鋼+銅鋼+角鋼+接地模塊組網(wǎng)接地體其電阻值相對(duì)較小。通過(guò)圖6和圖7電阻結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：隨著接地體組網(wǎng)組數(shù)的增加，其接地體電阻值逐漸減小，且年度電阻值季節(jié)變化趨于穩(wěn)定。這個(gè)結(jié)論符合物理中導(dǎo)體接觸面增大，電阻值變小的理論。

圖7 4網(wǎng)組合接地體電阻值及電阻值隨季度變化曲線(xiàn)

圖8反映了測(cè)量場(chǎng)地A和B中，2網(wǎng)、4網(wǎng)及5網(wǎng)組合接地電阻的變化情況。結(jié)果表明：組網(wǎng)數(shù)量的增加能夠降低接地平均電阻值。對(duì)于組網(wǎng)接地體來(lái)說(shuō)，測(cè)量場(chǎng)地B電阻值明顯低于測(cè)量場(chǎng)地A，與單體接地電阻趨勢(shì)一致。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從接地電阻的穩(wěn)定性、接地體的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，針對(duì)青藏高原地區(qū)，選用圓鋼+銅鋼+角鋼+接地模塊的組網(wǎng)接地體更為合適。

圖8 組合接地體電阻變化直方圖

4 結(jié)論

1) 環(huán)境溫、濕度，接地土壤結(jié)構(gòu)對(duì)接地體電阻具有一定的影響，溫度與接地電阻值呈弱負(fù)相關(guān)，而濕度與接地電阻值之間呈弱正相關(guān)。

2) 接地體年度電阻平均值及其穩(wěn)定性受季節(jié)效應(yīng)影響明顯。

3) 在青藏高原地區(qū)的特殊環(huán)境下，光伏復(fù)合組網(wǎng)接地體的設(shè)計(jì)顯著降低接地體年度平均電阻值，并能夠提高接地體電阻總體穩(wěn)定性，故推薦在該地區(qū)使用圓鋼+銅鋼+角鋼+接地模塊的組網(wǎng)接地體。

4) 該地區(qū)光伏電站測(cè)量接地電阻應(yīng)在1月份進(jìn)行，此時(shí)滿(mǎn)足接地要求，能保證全年其他時(shí)間接地滿(mǎn)足要求。