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

漁光互補(bǔ)光伏電站場區(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)在我國的不斷發(fā)展進(jìn)步，目前光伏場區(qū)已由陸上逐漸擴(kuò)展到水域。我國中、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”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。為了避免雷擊對光伏發(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)入平價上網(wǎng)時代，工程單位兆瓦投資額亦隨之不斷下調(diào)。對于工程參建各方，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。綜上，漁光互補(bǔ)光伏電站項(xiàng)目需要對場區(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雷電對光伏電站的危害和原因雷電對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間就釋放出來，瞬問功率十分巨大。光伏組件安裝在室外，當(dāng)雷電發(fā)生時光伏組件很容易受到直擊雷的破壞。感應(yīng)雷是指當(dāng)雷云來臨時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，過電壓幅值達(dá)幾十萬伏，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)雷的過電壓可以通過電源線、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)房內(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，目前尚無專門針對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》征求意見稿，9.10.8對水上光伏電站，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避免將雷電流直接釋放至水中。例如，對于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10Ω，工頻接地電阻不應(yīng)超過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100m。2.2.2光伏場區(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避免將雷電流直接釋放至水中。2.2.3對于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鍍鋅扁鋼連接連成電氣通路，組成整個場區(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)方案旨在光伏場區(qū)形成一個大面積連通的接地網(wǎng)，以降低接地電阻，滿足規(guī)范對于光伏陣列接地電阻的要求。然而，上述設(shè)計(jì)方案對于水面光伏而言則過于保守。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，基本沒有遭受直擊雷風(fēng)險。按照組串式逆變器/匯流箱接地要求，一般均引出一個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。對于單個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)或箱變設(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)范對非直接接地系統(tǒng)配電裝置的接地電阻不超過120/I(I為入地故障電流)，且不能超過4Ω。對于大型漁光互補(bǔ)電站，35kV電纜型集電線路長度較長，發(fā)生單相接地故障時，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)一般采用架空平臺方案，平臺上接地網(wǎng)明敷，將所有設(shè)備接地與明敷地網(wǎng)聯(lián)通，直接通過接地引下線將箱變外殼接地引下，明敷接地網(wǎng)與平臺內(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，然后將平臺明敷地網(wǎng)通過多根接地引下線引至平臺下接地網(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，電纜橋架接地應(yīng)符合下列規(guī)定：全長大于30m時，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。對于橋架接地，首先要求橋架供貨廠家在橋架供貨時，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，對于光伏方陣內(nèi)電纜通道的電纜橋架，每隔20m～30m通過-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。電纜橋架接地對接地電阻無特殊要求，可與光伏支架接地共用一個接網(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。光伏場區(qū)系統(tǒng)，以一個箱變?yōu)橐粋€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)或箱變設(shè)備接地、橋架接地共用一個接地系統(tǒng)，接地電阻以箱逆變一體機(jī)或箱變設(shè)備接地所需值為準(zhǔn)，且小于4Ω。對于升壓站接地系統(tǒng)，在能夠保證發(fā)生單相接地故障時，跨步電勢和接觸電壓不會對光伏場區(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，否則不建議將升壓站接地系統(tǒng)與光伏場區(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，對組件設(shè)備風(fēng)險最高的即為雷電風(fēng)險，增加垂直泄流通道密度是降低組件風(fēng)險最好的措施，但是，垂直接地極設(shè)置越密，造價越高。根據(jù)對PHC管樁特性的分析，對漁光互補(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。在現(xiàn)場施工時，將支架與PHC管樁頂部鋼板通過導(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4Ω即可。常規(guī)接地方案借鑒陸上光伏通用做法，將整個光伏組串前后排通過鍍鋅扁鋼連接形成電氣通路，在光伏場區(qū)形成一個大面積連通的接地網(wǎng)，此種方案滿足了規(guī)范的要求，但過于保守。對于具體工程，合理的方案，首先應(yīng)計(jì)算已有的通過檁條互聯(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，可通過電纜橋架將前后排的多排支架互聯(lián)起來，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)險很高，可以將單組支架中每個PHC管樁作為垂直接地極；同時考慮枯水期風(fēng)險，可在中間部位PHC管樁處設(shè)置一個獨(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€，并對水體中接地體采用絕緣套管等措施來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)場材料控制：預(yù)應(yīng)力混凝土管樁進(jìn)場驗(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，平價上網(wǎng)電價0.3844元/kWh。3.4.2接地優(yōu)化方案實(shí)施當(dāng)涂項(xiàng)目場區(qū)接地方案見（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)涂光伏場區(qū)土壤電阻率均不超過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