塔式太陽能熱發(fā)電項目中定日鏡場的低壓供電接地系統(tǒng)的分析

張 瑩，陸 浩，馮永剛，白雪松

(內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計院有限責任公司，呼和浩特 010010)

0 引言

近年來，隨著全球氣候變暖問題日益嚴重，各國對生態(tài)環(huán)境的保護也更為重視。在能源應(yīng)用領(lǐng)域，有效利用可再生能源是應(yīng)對生態(tài)問題的重要途徑之一。太陽能發(fā)電是可再生能源利用形式的一種，其中對于太陽能熱發(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，國家將繼續(xù)大力支持太陽能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，建設(shè)太陽能熱發(fā)電示范項目，這將使太陽能熱發(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]。

在太陽能熱發(fā)電技術(shù)中，塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)是利用大規(guī)模自動跟蹤太陽的定日鏡場將太陽光反射集中到高塔頂部的接收器上，接收器將吸收的太陽能轉(zhuǎn)化成熱能，再將熱能傳給工質(zhì)，經(jīng)過蓄熱環(huán)節(jié)后再輸入到熱動力機，熱動力機膨脹做功，帶動發(fā)電機發(fā)電。該發(fā)電方式是未來太陽能熱發(fā)電的主要技術(shù)[2]。在塔式太陽能熱發(fā)電項目的定日鏡場區(qū)域，由于低壓用電負荷較為分散，并且定日鏡場的低壓用電負荷通常與常規(guī)島內(nèi)的低壓配電裝置之間的距離較遠，因此，對于塔式太陽能熱發(fā)電項目中定日鏡場區(qū)域的低壓用電負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)濟這個問題，目前還無明確的答案。

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能熱發(fā)電項目，從安全性、可靠性和經(jīng)濟性的角度出發(fā)，針對該項目中定日鏡場的低壓供電接地系統(tǒng)的接地形式進行探討分析，并對比分析塔式太陽能熱發(fā)電項目的定日鏡場低壓供電接地系統(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)時的應(yīng)用特點。

1 某在建塔式太陽能熱發(fā)電項目的概況

本文以境外某在建的塔式太陽能熱發(fā)電項目(下文稱為“D項目”)為例進行分析。D項目中，定日鏡場的低壓用電負荷由常規(guī)島引來的400/230 V低壓廠用電作為電源。由常規(guī)島引至定日鏡場的電源共21個回路，低壓用電負荷在0.45～5.72 kW之間；定日鏡場低壓用電負荷距離常規(guī)島內(nèi)的低壓配電裝置較遠，每個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)的正常運行至關(guān)重要。低壓供電接地系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)符合國家現(xiàn)行標準GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。

在塔式太陽能熱發(fā)電項目的定日鏡場設(shè)計中，選擇合理的低壓供電接地系統(tǒng)，既能實現(xiàn)項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D項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2種低壓供接地系統(tǒng)方案的優(yōu)、缺點進行對比論證。

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電部分通過保護導體(即PE線)接到接地點。D項目不單獨配置中性導體(即N線)，則此項目采用TN-S低壓供電接地系統(tǒng)方案時，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

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

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

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，定日鏡場內(nèi)的電氣裝置的外露可導電部分應(yīng)接到與常規(guī)島分離的定日鏡場接地網(wǎng)上。由于D項目不單獨配置N線，則此項目采用TT低壓供電接地系統(tǒng)方案時，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

如果在定日鏡場采用TT低壓供電接地系統(tǒng)，則定日鏡場低壓供電接地系統(tǒng)與常規(guī)島低壓配電裝置接地系統(tǒng)將無直接聯(lián)系，定日鏡場電氣裝置可在定日鏡場內(nèi)可靠接地；當定日鏡場或常規(guī)島內(nèi)發(fā)生接地故障時，故障電流不會像采用TN-S低壓供電接地系統(tǒng)時那樣沿著PE線傳導。

TT低壓供電接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障短路時的示意圖如圖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，定日鏡場內(nèi)電氣裝置的外殼應(yīng)直接與大地連接，當定日鏡場內(nèi)電氣裝置發(fā)生接地故障短路時，故障電流的回路是“電氣裝置外殼—大地—變壓器中性點—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)，因此當定日鏡場內(nèi)電氣裝置發(fā)生接地故障短路時，很難使線路上的保護裝置動作。下文對此情況進行具體分析。

當定日鏡場內(nèi)電氣裝置發(fā)生接地故障短路時，會導致圖3中的RB和RA這2個電阻形成故障回路。

Id可表示為：

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

根據(jù)本項目的實際情況，RB=RA=4 Ω(行業(yè)內(nèi)要求保護接地電阻不大于4 Ω)，則Id=50 A。50 A的故障電流不足以使保護裝置動作，若定日鏡場電氣裝置發(fā)生接地故障短路，電氣裝置外殼上的危險電壓會長期存在，觸電危險不能消除。

故障點對地電壓Ud可表示為：

代入數(shù)值可知，Ud=200 V。

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

代入數(shù)值可知，Ir=250 mA。

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

當采用漏電保護器時，Ia為漏電保護器的剩余電流的動作電流。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電部分的保護導體電阻之和R應(yīng)符合

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

采用TT低壓供電接地系統(tǒng)的優(yōu)點是：當常規(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，故障電流不會像采用TN-S低壓供電接地系統(tǒng)時沿著PE線直接流向定日鏡場，因此不會對定日鏡場內(nèi)的電氣裝置造成沖擊。

2.3 低壓供電接地系統(tǒng)的設(shè)計現(xiàn)狀分析

通過對近年來已建成的塔式太陽能熱發(fā)電項目進行分析發(fā)現(xiàn)：國內(nèi)塔式太陽能熱發(fā)電項目中定日鏡場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；而國外的部分塔式太陽能熱發(fā)電項目，比如已投運的Ashalim塔式太陽能熱發(fā)電站，其定日鏡場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 項目的經(jīng)濟性比較

在定日鏡場內(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，定日鏡場供電箱進線電纜采用3芯電纜，而TT低壓供電接地系統(tǒng)則采用2芯電纜(無PE線)；

2) TT低壓供電接地系統(tǒng)需加裝漏電保護器。

對2種低壓供電接地系統(tǒng)在D項目中具體應(yīng)用時的經(jīng)濟性進行對比，可得到采用不同低壓供電接地系統(tǒng)時的電纜選型差價對比表，具體如表1所示。

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

另外，通過與設(shè)備制造廠家詢價發(fā)現(xiàn)，在斷路器中加裝1臺漏電保護器需要增加的費用約為230元。D項目的定日鏡場供電箱共有21個，采用TT低壓供電接地系統(tǒng)時均需加裝漏電保護器，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。

由于塔式太陽能熱發(fā)電項目中定日鏡場的低壓用電負荷與常規(guī)島低壓配電裝置之間的距離一般較遠，定日鏡場的低壓用電負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能熱發(fā)電項目為例，從安全性、可靠性和經(jīng)濟性的角度出發(fā)，對塔式太陽能熱發(fā)電項目中定日鏡場的低壓供電接地系統(tǒng)的選擇進行了對比分析，得到以下結(jié)論：

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

2) 采用TT低壓供電接地系統(tǒng)時，定日鏡場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)必須加裝漏電保護器來確保人身安全。

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)的特點不同，因此所適用的場合也不相同。由于塔式太陽能熱發(fā)電項目中定日鏡場區(qū)域的低壓用電負荷與常規(guī)島低壓配電裝置之間的距離一般較遠，且定日鏡場的低壓用電負荷分布也較為分散，因此推薦使用TT低壓供電接地系統(tǒng)作為該類項目的低壓供電接地系統(tǒng)。