漁光互補(bǔ)光伏電站場(chǎng)區(qū)接地網(wǎng)設(shè)計(jì)及施工

漁光互補(bǔ)光伏電站場(chǎng)區(qū)接地網(wǎng)設(shè)計(jì)及施工1.中廣核新能源安徽有限公司，安徽合肥230093；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥230009摘要：隨著光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在我國(guó)的不斷發(fā)展進(jìn)步，目前光伏場(chǎng)區(qū)已由陸上逐漸擴(kuò)展到水域。我國(guó)中、東部擁有大面積的水面資源，水系發(fā)達(dá)，在養(yǎng)殖水面上建設(shè)光伏系統(tǒng)，形成“上可發(fā)電、下可養(yǎng)魚(yú)”的創(chuàng)新發(fā)展模式，既能充分利用空間、節(jié)約土地資源，又能利用光伏發(fā)電站調(diào)節(jié)養(yǎng)殖環(huán)境，增加農(nóng)民收入。為了推動(dòng)漁光互補(bǔ)光伏系統(tǒng)的發(fā)展，給漁光互補(bǔ)光伏系統(tǒng)的規(guī)劃起到引導(dǎo)、示范作用。關(guān)鍵詞：光伏；漁光互補(bǔ)；接地網(wǎng)；關(guān)鍵技術(shù)1概述1.1選題背景漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要部分都是露天的且占據(jù)面積大，存在受直接或間接雷擊危害風(fēng)險(xiǎn)。為了避免雷擊對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的損害，就需要設(shè)置防雷接地系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。漁光互補(bǔ)光伏電站項(xiàng)目主要包括以下接地系統(tǒng)：①組件及支架系統(tǒng)；②組串式逆變器或匯流箱；③箱逆變一體機(jī)或箱變；④電纜橋架系統(tǒng)；⑤升壓站。為保證防雷接地效果，在電站的全壽命周期內(nèi)，接地導(dǎo)體焊接處等需定期做防腐處理，后期運(yùn)維工作量大。目前光伏發(fā)電已逐步進(jìn)入平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代，工程單位兆瓦投資額亦隨之不斷下調(diào)。對(duì)于工程參建各方，均需要在滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范的前提下，探索從設(shè)計(jì)、施工等維度合理優(yōu)化，以降低工程造價(jià)。綜上，漁光互補(bǔ)光伏電站項(xiàng)目需要對(duì)場(chǎng)區(qū)接地關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，在滿足規(guī)程規(guī)范前提下，節(jié)省投資、減少施工及運(yùn)維工作量、保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

1.2雷電對(duì)光伏電站的危害和原因雷電對(duì)光伏電站的危害方式有直擊雷、雷電感應(yīng)和雷電波侵入三種。帶電積云與地面目標(biāo)之間的強(qiáng)烈放電稱為直擊雷。直擊雷只有雷擊率的10%左右，危害范圍一般較小。直擊雷的電壓峰值通?？蛇_(dá)幾萬(wàn)伏以上，電流峰值可達(dá)幾十千安培以上，破壞性很強(qiáng)的原因是雷云所蘊(yùn)藏的能量在極短的時(shí)間就釋放出來(lái)，瞬問(wèn)功率十分巨大。光伏組件安裝在室外，當(dāng)雷電發(fā)生時(shí)光伏組件很容易受到直擊雷的破壞。感應(yīng)雷是指當(dāng)雷云來(lái)臨時(shí)地面上的一切物體因靜電感應(yīng)，聚集大量與雷電極性相反束縛電荷，在雷云對(duì)地或?qū)α硪焕自崎W擊放電后，云中的電荷就變成了自由電荷，從而產(chǎn)生很高感應(yīng)電壓，過(guò)電壓幅值達(dá)幾十萬(wàn)伏，從而引起火災(zāi)、爆炸、危及人身安全或?qū)╇娤到y(tǒng)造成危害。感應(yīng)雷沒(méi)有直擊雷那么猛烈，但發(fā)生幾率比直擊雷高得多。而且感應(yīng)雷的過(guò)電壓可以通過(guò)電源線、饋線，輸出電纜等傳輸?shù)煤苓h(yuǎn)，使影響范圍擴(kuò)大，光伏電站機(jī)房?jī)?nèi)逆變器等電氣設(shè)備遭受雷擊而造成損壞的主要原因就是感應(yīng)雷。2漁光互補(bǔ)光伏電站接地相關(guān)規(guī)范解析由于光伏行業(yè)發(fā)展十分迅猛，目前尚無(wú)專門(mén)針對(duì)水上光伏電站接地規(guī)范，而相關(guān)規(guī)范要求各異，造成現(xiàn)行設(shè)計(jì)方案多樣化，而不同設(shè)計(jì)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性水平差異大。2.1規(guī)范解析根據(jù)GB/T32512-2016《光伏發(fā)電站防雷技術(shù)要求》5.2.1.1光伏方陣電氣線路應(yīng)采取防雷擊電磁脈沖和閃電電涌侵入措施；5.2.1.2光伏方陣金屬部件應(yīng)與防雷裝置進(jìn)行等電位連接并接地；5.2.1.5地面光伏發(fā)電站光伏方陣接地裝置工頻接地電阻不宜大于10Ω，高電阻地區(qū)（電阻率大于2000Ωm）最大值應(yīng)不高于30Ω；光伏方陣接地網(wǎng)外緣應(yīng)閉合，光伏方陣每排支架應(yīng)至少在兩端接地。上述規(guī)定是對(duì)光伏方陣防雷接地做出的要求，即防雷接地電阻不宜大于10Ω。根據(jù)GB50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，8.8.3光伏方陣場(chǎng)地內(nèi)應(yīng)設(shè)置接地網(wǎng)，接地網(wǎng)除應(yīng)采用人工接地極外，還應(yīng)充分利用支架基礎(chǔ)的金屬構(gòu)件；8.8.4光伏方陣接地應(yīng)連續(xù)、可靠，接地電阻應(yīng)小于4Ω。根據(jù)GB50797《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》征求意見(jiàn)稿，9.10.8對(duì)水上光伏電站，不應(yīng)將雷電流直接釋放至水中?？筛鶕?jù)實(shí)際情況采取接地體沿樁基內(nèi)埋設(shè)至水下，或沿電纜敷設(shè)通道、人員巡視通道引至岸邊接地，也可在水體中接地體采用絕緣套管等措施來(lái)避免將雷電流直接釋放至水中。例如，對(duì)于PHC管樁等基礎(chǔ)型式，可利用其內(nèi)部鋼筋作為接地體以釋放故障電流。根據(jù)T/CPIA0017-2019《水上光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，8.6.1樁柱一體式光伏發(fā)電系統(tǒng)，排水施工時(shí)應(yīng)在土壤中設(shè)置接地干線和垂直接地極；水上作業(yè)施工時(shí)宜沿支架設(shè)置接地干線，垂直接地極宜埋設(shè)進(jìn)入土壤中。8.6.5接地電阻應(yīng)小于4Ω。8.6.6電氣設(shè)備應(yīng)可靠接地，有邊框的組件之間應(yīng)采用多股軟導(dǎo)線相接，也可通過(guò)雙刺墊片連接至支架系統(tǒng)，并接至接地干線。根據(jù)IEC62738-2018《Ground-mountedphotovoltaicpowerplants-Designguidelinesandrecommendations》，組件支架間要做等電位接地連接。2.2結(jié)論根據(jù)上述對(duì)不同規(guī)范的分析理解，關(guān)于漁光互補(bǔ)光伏電站接地，可以得出以下結(jié)論：2.2.1漁光互補(bǔ)電站光伏方陣的防雷沖擊接地電阻不宜超過(guò)10Ω，工頻接地電阻不應(yīng)超過(guò)4Ω，且從防雷的角度而言，自雷擊點(diǎn)（組件邊框）至雷電流泄放點(diǎn)（入地或入水）的導(dǎo)體間距不宜超過(guò)100m。2.2.2光伏場(chǎng)區(qū)可根據(jù)需要設(shè)置水平接地極和垂直接地極，水體中接地體需采用絕緣套管等措施來(lái)避免將雷電流直接釋放至水中。2.2.3對(duì)于PHC管樁等基礎(chǔ)型式，可利用其內(nèi)部鋼筋作為接地體。3漁光互補(bǔ)光伏電站接地漁光互補(bǔ)電站一般建在水上，漁光互補(bǔ)光伏升壓站大多采用架空大平臺(tái)方案或設(shè)置在離岸標(biāo)高大于設(shè)計(jì)標(biāo)高的陸地。組串式逆變器和直流匯流箱一般壁掛式安裝在組件支架基礎(chǔ)-預(yù)制管樁上；集中式逆變器，一般采用箱逆變一體機(jī)，安裝在架空平臺(tái)上。漁光互補(bǔ)光伏電站電纜通道一般采用大跨度電纜橋架方式，大多固定在支架基礎(chǔ)-預(yù)制管樁上或單獨(dú)設(shè)置的預(yù)制管樁上。接地網(wǎng)接地裝置的作用是把雷電流從接閃器盡快傳導(dǎo)到大地，對(duì)接地裝置的要求是要有足夠小的接地電阻和合理的布局。光伏電站接地系統(tǒng)通常有兩大類：一是強(qiáng)電接地，主要指防雷接地；二是弱電接地，主要指工作接地、安全接地等。不同類型接地，其要求也不一樣。防雷接地的接地電阻值一般要在4～30Ω；工作接地的接地電阻一般要在0.5Ω～10Ω。光伏方陣的防雷接地應(yīng)與其保護(hù)、系統(tǒng)接地以及匯流箱、逆變器、升壓變壓器等配電設(shè)施接地系統(tǒng)共用同一接地裝置，且接地電阻應(yīng)符合最小值要求。3.1漁光互補(bǔ)光伏電站接地常規(guī)設(shè)計(jì)方案3.1.1組件及支架接地設(shè)計(jì)對(duì)于漁光互補(bǔ)光伏電站，組件支架檁條互聯(lián)后可以起到水平接地體的作用，將多個(gè)單元等電位連接。當(dāng)發(fā)生雷擊組件邊框后，雷電流的泄放通道為：組件邊框→邊框與支架檁條連接導(dǎo)體→支架檁條→橫向傳輸→垂直接地極或接地引下線→土壤中。光伏組串內(nèi)部，通過(guò)1×4mm2黃綠線將光伏組件接地孔互聯(lián)，并在組串兩端連接檁條，相鄰光伏組串檁條間通過(guò)扁鐵連接。沿電纜橋架敷設(shè)水平接地干線，并引上與組件支架相連，從而將光伏組串前后排通過(guò)鍍鋅扁鋼連接連成電氣通路，組成整個(gè)場(chǎng)區(qū)的水平接地網(wǎng)。在第2與第5組串中間PHC管樁處組串立柱引扁鐵入地，形成故障電流泄流通道，并滿足自雷擊點(diǎn)（組件邊框）至雷電流泄放點(diǎn)（入地或入水）的導(dǎo)體間距不宜超過(guò)100m的要求。(圖1)（a）組串內(nèi)部及組串間接地（b）組串接地引下圖1.光伏場(chǎng)區(qū)組件支架接地常規(guī)設(shè)計(jì)方案上述接地方案是借鑒陸上光伏的通用做法，由于陸上光伏一般建在山地、丘陵地帶，地下多為石頭，土壤電阻率很高。常規(guī)方案旨在光伏場(chǎng)區(qū)形成一個(gè)大面積連通的接地網(wǎng)，以降低接地電阻，滿足規(guī)范對(duì)于光伏陣列接地電阻的要求。然而，上述設(shè)計(jì)方案對(duì)于水面光伏而言則過(guò)于保守。3.1.2組串式逆變器/匯流箱接地設(shè)計(jì)組串式逆變器或匯流箱，一般壁掛式安裝在組件支架基礎(chǔ)-預(yù)制管樁上，處于組件下方，基本沒(méi)有遭受直擊雷風(fēng)險(xiǎn)。按照組串式逆變器/匯流箱接地要求，一般均引出一個(gè)PE線，用于設(shè)備本體接地，接地電阻一般只要求工頻接地電阻小于4Ω。對(duì)于單個(gè)組串式逆變器或匯流箱的接地，一般將其與組件及支架接地網(wǎng)聯(lián)通，共用一個(gè)接地系統(tǒng)，工頻接地電阻小于4Ω即可。具體做法為：將組串式逆變器或匯流箱的接地PE接線端子采用1×16mm2黃綠接地線引至就近支架檁條，并通過(guò)立柱引扁鐵入地，形成故障電流泄流通道。3.1.3箱逆變一體機(jī)或箱變?cè)O(shè)備接地設(shè)計(jì)根據(jù)GB50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，過(guò)電壓保護(hù)和接地應(yīng)符合GB/T50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB/T50064-2014《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定。鑒于光伏電站箱變高壓側(cè)電壓系統(tǒng)中性點(diǎn)一般采用非直接接地方式，根據(jù)接地設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)非直接接地系統(tǒng)配電裝置的接地電阻不超過(guò)120/I(I為入地故障電流)，且不能超過(guò)4Ω。對(duì)于大型漁光互補(bǔ)電站，35kV電纜型集電線路長(zhǎng)度較長(zhǎng)，發(fā)生單相接地故障時(shí)，這樣要求箱逆變一體機(jī)或箱變的工頻接地電阻一般小于1.2Ω。對(duì)于漁光互補(bǔ)光伏電站，箱逆變一體機(jī)或箱變基礎(chǔ)一般采用架空平臺(tái)方案，平臺(tái)上接地網(wǎng)明敷，將所有設(shè)備接地與明敷地網(wǎng)聯(lián)通，直接通過(guò)接地引下線將箱變外殼接地引下，明敷接地網(wǎng)與平臺(tái)內(nèi)鋼筋網(wǎng)聯(lián)通保證跨步電壓滿足規(guī)范要求，保證人身安全，然后將平臺(tái)明敷地網(wǎng)通過(guò)多根接地引下線引至平臺(tái)下接地網(wǎng)。3.1.4電纜橋架接地設(shè)計(jì)根據(jù)GB/T50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》3.2.1，電力電纜接線盒、終端盒的外殼、電力電纜的金屬護(hù)套或屏蔽層、穿線的鋼管和電纜橋架等應(yīng)接地；根據(jù)GB50169-2016《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)程》4.3.8，沿電纜橋架敷設(shè)銅絞線、鍍鋅扁鐵及利用沿橋架如安裝托架用的金屬構(gòu)件作為接地網(wǎng)時(shí)，電纜橋架接地應(yīng)符合下列規(guī)定：全長(zhǎng)大于30m時(shí)，應(yīng)每隔20m～30m增加與接地網(wǎng)的連接點(diǎn)，電纜橋架的起始端和終點(diǎn)端應(yīng)與接地網(wǎng)可靠連接。漁光互補(bǔ)電站中，一般采用大跨度橋架，橋架跨度不小于6m，橋架一般固定在光伏支架的PHC管樁上，部分不能利用支架管樁的位置單獨(dú)設(shè)置PHC管樁支撐橋架。對(duì)于橋架接地，首先要求橋架供貨廠家在橋架供貨時(shí)，每段橋架的電氣聯(lián)通接地材料（跨接導(dǎo)體）由電纜橋架廠家成套供貨，保證每段電纜橋架都是電氣聯(lián)通，其次按照規(guī)范要求，對(duì)于光伏方陣內(nèi)電纜通道的電纜橋架，每隔20m～30m通過(guò)-50×5的熱鍍鋅扁鋼將電纜橋架支架與PHC管樁頂部鋼板焊接，或者將電纜橋架支架直接就近與光伏支架接地引下線連接即可。電纜橋架接地對(duì)接地電阻無(wú)特殊要求，可與光伏支架接地共用一個(gè)接網(wǎng)。3.1.5整體接地裝置設(shè)計(jì)根據(jù)GB50169-2016《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》4.5.2，光伏方陣的防雷接地應(yīng)與其保護(hù)接地、系統(tǒng)接地以及匯流箱、逆變器、升壓變壓器等配電設(shè)施的接地系統(tǒng)共用同一接地裝置，共用接地裝置的接地電阻，應(yīng)符合其中最小值的要求。光伏場(chǎng)區(qū)系統(tǒng)，以一個(gè)箱變?yōu)橐粋€(gè)發(fā)電單元，組件支架接地、組串式逆變器或匯流箱接地、箱逆變一體機(jī)或箱變?cè)O(shè)備接地、橋架接地共用一個(gè)接地系統(tǒng)，接地電阻以箱逆變一體機(jī)或箱變?cè)O(shè)備接地所需值為準(zhǔn)，且小于4Ω。對(duì)于升壓站接地系統(tǒng)，在能夠保證發(fā)生單相接地故障時(shí)，跨步電勢(shì)和接觸電壓不會(huì)對(duì)光伏場(chǎng)區(qū)運(yùn)維人員造成傷害的前提下，可以將升壓站接地系統(tǒng)與光伏區(qū)接地系統(tǒng)互聯(lián)，降低接地電阻，節(jié)約工程造價(jià)，否則不建議將升壓站接地系統(tǒng)與光伏場(chǎng)區(qū)接地系統(tǒng)互聯(lián)。3.2漁光互補(bǔ)光伏電站接地優(yōu)化方案3.2.1高強(qiáng)度PHC管樁的特性漁光互補(bǔ)項(xiàng)目支架基礎(chǔ)一般采用預(yù)應(yīng)力混凝土PHC管樁，PHC管樁混凝土強(qiáng)度為C80，管樁內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋沿其圓周均勻布置，樁端加強(qiáng)端板與鋼筋可靠焊接連通。PHC管樁可作為接地體，用于泄放雷電流或接地故障電流。3.2.2混凝土在土壤中的電阻率特性根據(jù)GB50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄J，混凝土在水中電阻率很低，近似值為40~55Ωm，略小于水體電阻率。由于預(yù)制樁垂直打入水域底部，入土深度達(dá)2m以上，PHC管樁中鋼筋可當(dāng)作垂直接地極，外部混凝土-水體可視作電阻率較低的土壤。3.2.3接地優(yōu)化方案在漁光互補(bǔ)光伏電站中，對(duì)組件設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)最高的即為雷電風(fēng)險(xiǎn)，增加垂直泄流通道密度是降低組件風(fēng)險(xiǎn)最好的措施，但是，垂直接地極設(shè)置越密，造價(jià)越高。根據(jù)對(duì)PHC管樁特性的分析，對(duì)漁光互補(bǔ)光伏電站，可利用PHC管樁作為垂直接地極，以降低工程造價(jià)。在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，將支架與PHC管樁頂部鋼板通過(guò)導(dǎo)體連通接地。從工頻接地方面考慮，規(guī)范要求光伏方陣接地電阻值不超過(guò)4Ω即可。常規(guī)接地方案借鑒陸上光伏通用做法，將整個(gè)光伏組串前后排通過(guò)鍍鋅扁鋼連接形成電氣通路，在光伏場(chǎng)區(qū)形成一個(gè)大面積連通的接地網(wǎng)，此種方案滿足了規(guī)范的要求，但過(guò)于保守。對(duì)于具體工程，合理的方案，首先應(yīng)計(jì)算已有的通過(guò)檁條互聯(lián)的垂直接地極的復(fù)合接地電阻，如滿足4Ω，則不需額外處理，如大于4Ω，可通過(guò)電纜橋架將前后排的多排支架互聯(lián)起來(lái)，直到工頻接地電阻小于4Ω。綜合考慮，從雷電接地方面考慮，在單組支架中，至少應(yīng)利用兩端兩個(gè)PHC管樁作為垂直接地極，將檁條與PHC預(yù)制樁頂部預(yù)埋鐵用導(dǎo)體連通即可，如當(dāng)?shù)乩妆┤蛰^高，雷擊風(fēng)險(xiǎn)很高，可以將單組支架中每個(gè)PHC管樁作為垂直接地極；同時(shí)考慮枯水期風(fēng)險(xiǎn)，可在中間部位PHC管樁處設(shè)置一個(gè)獨(dú)立導(dǎo)體引下線，從PHC管樁頂預(yù)埋鐵焊1根導(dǎo)體沿管樁引下至枯水期最低水位2.5m以下（如枯水期水位為零，則引下線應(yīng)入地2.5米），沿管樁采取適當(dāng)?shù)拇胧┕潭ㄒ戮€，并對(duì)水體中接地體采用絕緣套管等措施來(lái)避免將雷電流直接釋放至水中。3.2.4接地優(yōu)化方案實(shí)施1)施工工藝及順序測(cè)量、定位放線→打樁→垂直度控制→成樁→接地體連接→等電位焊接、接地干線安裝。2)管樁施工方法進(jìn)場(chǎng)材料控制：預(yù)應(yīng)力混凝土管樁進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收必須按照《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》（10G409）的規(guī)定執(zhí)行。并持有預(yù)應(yīng)力混凝土管樁出廠合格證，同時(shí)檢查樁體外觀質(zhì)量、尺寸偏差、表面光潔度、是否龜裂等，不符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求管樁不允許投入使用。在施工過(guò)程中需注意樁頂鋼板應(yīng)保持與內(nèi)部鋼筋的連接不應(yīng)脫落。3)工藝流程：施工工藝流程如下圖2：圖2.接地施工流程3.4漁光互補(bǔ)光伏電站接地優(yōu)化方案應(yīng)用實(shí)例將本研究報(bào)告接地優(yōu)化方案在工程實(shí)際中加以應(yīng)用，以驗(yàn)證方案有效性和合理性。3.4.1工程概況中廣核安徽當(dāng)涂260MW光伏項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱“當(dāng)涂光伏項(xiàng)目”）位于安徽省馬鞍山市當(dāng)涂縣大隴鎮(zhèn)雙潭湖域內(nèi)，使用水面約6000畝，建設(shè)容量為260MWp，平價(jià)上網(wǎng)電價(jià)0.3844元/kWh。3.4.2接地優(yōu)化方案實(shí)施當(dāng)涂項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)接地方案見(jiàn)（圖3）所示。光伏組串內(nèi)部接地與常規(guī)方案一致，光伏組串間接地進(jìn)一步精細(xì)化設(shè)計(jì)，取消常規(guī)方案中沿電纜橋架敷設(shè)的水平接地干線。除在第2與第5組串中間PHC管樁處組串立柱引接地體入地外，尚在每個(gè)組串中間PHC管樁處，組串立柱引扁鐵與管樁頂部鋼板可靠焊接，利用管樁內(nèi)部鋼筋作為泄流通道。圖3.當(dāng)涂場(chǎng)區(qū)接地優(yōu)化設(shè)計(jì)方案根據(jù)圖3所示，當(dāng)涂光伏場(chǎng)區(qū)土壤電阻率均不超過(guò)40Ωm。依據(jù)GB50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A，計(jì)算單根引下接地極接地電阻：式中：可得，單根引下接地極接地電阻為，2根人為設(shè)置的引下接地極加上6根PHC管樁內(nèi)部鋼筋自然接地極，等效接地電阻略大于10/8=1.25Ω。故，此方案完