高寒地区光伏场区接地装置电气参数计算方法

苗 青 王 凯 纪 苹 孟常静怡

（1.国核电力规划设计研究院有限公司 2.北京振中电子技术有限公司3.北京全路通信信号研究设计集团有限公司）

0 引言

本文依据东北高寒地区新建光伏电站项目，引出光伏场区接地网布设、接地网阻值、地网跨步电压及接触电压的计算及讨论［1］。

项目新建220kV 升压站一座，站内高一台100MVA主变，采用AIS线变组接线方式，电压等级为220／35kV，接线组别为YN，d11；35kV侧经接地变压器和小电阻接地，接线组别为Zn，yn11，占地约11×104m2［2-4］。

光伏场区共设32个光伏子阵，32座箱变，接线组别为D，y11，采用双面双玻单晶硅光伏组件，每26块光伏组件为1串。450／540Wp组件中每24串进入1台汇流箱，每15台汇流箱进入1台箱逆变一体机；450Wp组件每28串进入1台逆变器，每11台汇流箱进入1台箱变；540Wp组件每26串进入1台逆变器，每11台汇流箱进入1台箱变，占地约306×104m2［5-7］。

通过野外钻探、现场原位测试和室内试验资料综合分析，场地平坦、无特殊性岩土，为均匀地基，工程地质分为素填土、粘土、粉质粘土、粉砂、粘土、粉质粘土、粉砂7层；地下水稳定水位标高为142.82～142.98m（水位埋深为0.70～2.40m左右），地下水对混凝土具有微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋具有弱腐蚀性，该场地土壤腐蚀性等级为弱腐蚀；场地抗震设防裂度为6度；冻胀类别为强冻胀；土壤热阻系数为1.35K·m／W；探棒间距6m下测得土壤电阻率在550Ω·m左右［8-10］。

1 接地网设置原则

1.1 场区接地网

充分利用各光伏电池方阵基础内的钢筋作为自然接地体，在敷设必要的人工接地网，以满足《交流电气装置的接地设计规范》（GB／T50065-2011）规范中规定的电阻值。场区接地网应形成闭合状态，并将场区内所有金属部件可靠连接形成等电位体并通过引下线接入地网，包括但不限于光伏支架中的金属部分、檀条、电力电缆金属护套、屏蔽层、接头盒、电缆桥架、设备（箱变、逆变器、汇流箱）外壳等金属部分。

地下部分接地采用热镀锌扁钢，水平接地体采用50×5热镀锌扁钢，敷设深度不小于0.8m，垂直接地体采用50×50×5热镀锌角钢，长度L＝4000mm，地上部分支架与支架之间采用40×4热镀锌扁钢可靠连接，接地网的接地电阻值应满足R≤2000／Ig算式要求，且不大于4Ω，使场区的接地电势、跨步电势和转移电势限制在安全值以内，考虑到场区土壤为冻胀类别，水平接地体及垂直接地极周围采用换填100mm中粗砂。厂区接地网布置示意图如图1所示。

图1 厂区接地网布置示意图

图2 电气接地参数计算书

1.2 系统接地

在充分考虑当前和远景最大运行方式下一次系统电气设备接线、母线连接，系统故障时电抗电阻比值，确定最大入地电流。

根据场区占地情况，初步划定接地网布设范围，并具此计算得出接地网的接地电阻值、接触电压差、跨步电压差，并与允许的电阻限值及电压限值进行比较，经计算不满足要求时，应采取降低电阻电压措施或提高允许值的措施。

本文将着重介绍确定接地网工频接地电阻、冲击接地电阻及接触电压差、跨步电压差的计算过程及允许值的确定方法。

2 场区接地网电气参数计算

2.1 接地网工频电阻计算

光伏电站220kV升压站35kV中性点装置为200A的低电阻柜，经计算短路电流为127A，保护接地接至变电站接地网的站用变压器的低压侧应采用TN系统，其中Ig为计算用经接地网入地的最大接地故障不对称电流有效值取200A。经计算接地网的最大允许接地电阻应为10Ω。在此基础上，应依据电力系统中对电气设备接地数值的要求对接地网的允许数值进行修正，因变压器中性点对接地电阻值的要求为不大于4Ω，因此整体接地网的接地电阻允许值不应大于4Ω。

均匀土壤中水平接地极为主边缘闭合的接地网的接地电阻值应按下式计算得出，其中α1为形状修正系数；Re为等值方形接地网的接地电阻；S为接地网总面积；d为水平接地极的等效直径；h为水平接地极的埋设深度；L0为接地网外缘边线总长度；L为水平接地极的总长度，上述水平接地网的长度量单位均为米。

本例中土壤电阻率为962.6Ω·m，为地堪报告中测得的数据经CDEGS软件计算得出下层分层土壤电阻率；水平接地体采用50×5mm热镀锌扁钢，敷设深度不小于0.8m，在计算时应对其进行数值修正，扁导体取其宽度的0.5倍，等边角钢取其宽度的0.84倍，不等边角钢取其宽度的倍；由图1中可知水平接地网总长度为27505m，外缘边线总长度为9185m，总面积为2790000m2。

根据上述基础数据可求得B值为0.9978；Re为0.3217Ω；形状修正系数α1为0.8936，均匀土壤中水平接地极为主边缘闭合的接地网的接地电阻值Rn为0.2875Ω，其值小于最大允许值4Ω，同时与CDEGS软件计算得出的接地网接地电阻值0.3035Ω在误差10%以内。

均匀土壤中水平接地极为主边缘闭合的接地网的接地电阻值的简易算法可由下式求得，具此算出接地电阻值Rn为0.2993Ω。但是仅适合在大型接地网中使用。

2.2 接地网冲击电阻计算

冲击电阻是指接地装置流过雷电冲击电流时所表现出的电阻值，冲击电流相当于调频电流的情形，强大的冲击电流流入土壤后会形成很强的电场，产生的电流密度达到某一数值时会产生火花放电现象，土壤的等值电阻率将大为减小，也可认为土壤电阻率不变但接地体的等值直径已大为增加，所以此时接地体的冲击接地电阻将比工频接地电阻小。冲击电阻可由工频接地电阻求得，其算式如下：

其中，α为冲击系数，冲击电流单端流入和中部流入水平接地极的冲击系数分别见下式，其中Ii为冲击电流可取5kA、10kA、20kA、40kA、80kA，由于冲击电流越小求得的冲击系数越大，同等条件下此处取最小的冲击电流计算冲击系数。

代入土壤电阻率及水平接地网总长度可求得单端流入和中部流入水平接地极的冲击系数分别为10.5和7.5。具此可求得接地装置的冲击电阻分为3.02Ω和2.15Ω。取其最大值进而按下式求得复合接地极的冲击电阻为4.83Ω。

其中，ηi为计及各接地极间相互影响的冲击利用系数，可取值为0.75。冲击电流允许值不超过10Ω可知此次接地网设计满足基本要求。

2.3 接地体外引长度计算

一般光伏场区占地面积比较大，覆盖的地貌地形种类多，不可避免的会存在一些高土壤电阻率（ρ＞500Ω·m）、甚至是岩石、碎石的地区，为了有效地解决接地电阻过高的问题，可采取布放降阻剂或敷设外引接地体的方式以达到降低工频接地电阻的目的，对于集中接地体，冲击系数α一般小于1，但对于长度很大的外引接地体来说，由于冲击电流的电感效应，其值也可能大于1。由于一类防雷措施冲击电阻的允许值不超过10Ω，三类防雷措施冲击电阻的允许值不超过30Ω，因此对于冲击电流来说接地体不能无限制外延。

在场区2000m以内若有较低电阻率的土壤时，为降低接地电阻值并减小冲击电阻值，其敷设外引接地体的最大外引长度应由下式确定。

将数据代入上式，可得接地体最大外引长度为51.5m。

3 场区接地网接触电位差计算

3.1 接触电位差允许值

场区接地网接触电位差的允许值应满足下式计算出的数值，布设的接地网经计算得出的接触电位差值Ut应与此数值进行比较，且不应超过此值，若超过允许数值应采取降低措施或采用抬高允许值的措施。

式中，Cs为表层衰减系数；ρ为下层土壤电阻率；ρs为表层土壤电阻率；hs为表层土壤厚度；ts接地故障电流持续时间。

将地堪岩土报告中测得不同深度下各探棒间土壤电阻率数值依次输入至CDEGS软件中，经其计算可得出土壤分层电阻率数值，其中表层土壤电阻率为52.7Ω·m，表层土壤厚度为0.187m，下层土壤电阻率为962.6Ω·m，接地故障电流持续时间取1s。

将上述数值代入至上面的算式中，可得表层衰减系数为4.51，允许接触电位差值为214.3V；考虑到5%的允许误差因素，对允许接触电位差值进行修正，得到其修正后的数值为212.3V。

3.2 接触电位差计算及修正

系统接地故障时接地网的产生接触电位差值应按下式计算。

其中，LT，KT，Ki可分别按下式求得

由于接触电位差与跨步电压差会随着平行导体间间距的增加而增大，此计算过程中是按规范要求中取最大值20m进行计算的。代入场区接地网中的基础数据，可求得地接地网的有效埋设长度LT为27815.2m，接触电位差网孔电压几何校正系数KT为1.307，接地网不规则校正系数Ki为0.7673；将上述数据修正系数代入接地网接触电位差算式中求得其值为7.21V，其值小于接地网接触电位差允许值212.3V，场区接地网的接地设置形式满足要求。

4 场区接地网跨步电位差计算

4.1 跨步电位差允许值

场区接地网跨步电位差的允许值应满足下式计算出的数值，布设的接地网经计算得出的跨步电位差值Us应与此数值进行比较，且不应超过此值，若超过允许数值应采取降低措施或采用抬高允许值的措施

将数值代入算式中，可得表层衰减系数为4.51，允许跨步电位差值为340.1V；考虑到5%的误差因素，对允许跨步电位差值进行修正，得到其修正后的数值为331.8V。

4.2 跨步电位差计算及修正

系统接地故障时接地网的产生接触电位差值应按下式计算。

其中，LS，KS可分别按下式求得

由于接触电位差与跨步电压差会随着平行导体间间距的增加而增大，此计算过程中是按规范要求中取最大值20m进行计算的。代入场区接地网中的基础数据，可求得地接地网的有效埋设长度LS为20798.8m；接触电位差网孔电压几何校正系数KS为0.195；接地网不规则校正系数Ki为0.7673；将上述数据修正系数代入接地网接触电位差算式中求得其值为1.43V，其值小于接地网接触电位差允许值331.8V，场区接地网的接地设置形式满足要求。

5 接地体热稳定及腐蚀年限校验

5.1 接地体最小热稳定截面

根据GB／T50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》中提供的算式计算。

其中，Sg为接地导体的最小截面，其单位为mm2；Ig为流过接地导体的最大接地故障不对称电流有效值取200A；te为接地故障等效持续时间取1s；C为接地导体材料的热稳定系数，钢材和铝材的热稳定系数分别取70和120。

热稳定校验后，最小截面为2.86mm2，所选用的扁钢、角钢等效截面积分别为250mm2、502mm2，具此可选出扁钢与角钢的在项目建设初期几年内的规格。

5.2 接地体腐蚀年限

土壤为不腐蚀或弱腐蚀情况下，需要考虑土壤对接地导体截面腐蚀的影响，接地网计及腐蚀影响后，接地体的使用年限或等效截面的选择，应与地面工程的使用年限相一致。

对镀锌事镀锡的扁钢、圆钢埋于地下的部分，其腐蚀速度按0.065mm每年考虑，并对焊接处涂刷防腐材料，使用年限取25～30年。

计算时应根据第2部分中提及的算式，对不同形式的接地体进行等效直径转换，等效圆钢的壁厚取3.5mm。

由此计算出30年后经土壤腐蚀作用后，扁钢接地体及角钢接地体的等效截面积分别为152.5mm2、213.2mm2。

与接地体允许的最小热稳定截面进行比较，接地体经充分腐蚀后的等效截面仍能满足其使用要求。

6 结束语

本文系统介绍了高寒地区大面积接地装置接地工频电阻、冲击电阻、接触电位差、跨步电位差及热稳定和腐蚀性校验的计算进所需的基础数据、计算方法及数据修正过程，对计算数值与限值、允许值之间的逻辑关系做了详细的阐述，通过对接地体的形状系数、电压几何校正系数、有效埋设长度、埋深系数、等效平行导系数进行计算，以最大限度算出接地装置的真实接地电阻。

通过与CDEGS软件计算出的接地电阻数据（0.303Ω）相比较，与本文介绍的计算数据偏差在2%以内，并且可得到软件无法给出的热稳定、腐蚀年限、冲击电阻、引外敷设长度等接地装置中非常重要的电气数据。

目前已基于此计算方法形成了关于复合接地网及杆、塔、导线、建筑基础接地装置、采取降阻措施后接地电阻计算的计算书，只需输入如接地体长度、埋深等基础数据，便可自动计算出接地装置的全部电气参数，为后续工程提供快速可靠的数据支撑。