利用CDEGS對高土壤電阻率地面光伏電站接地網的研究

王超柱

摘 要：對于高土壤電阻率地區的地面光伏電站的接地網設計，因現行規范不能對多層土壤計算，計算結果一般較為保守。利用專業的接地計算軟件CDEGS可以建立精確的多層土壤模型，優化設計方案。本文利用CDEGS對某高土壤電阻率光伏電站接地網的原設計方案進行了優化，并與工程竣工后的接地網測試值進行了比較，得出經CDEGS優化后的方案不僅可以降低造價，計算值也與實際測試值十分接近。

關鍵詞：高土壤電阻率；CDEGS；光伏電站；接地網設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.127

0 引言

目前，許多大型光伏電站建設在戈壁地區，其特點是地表土壤電阻率非常高，地表以下土壤電阻率下降較快。現行國家標準GB50065‐2011《交流電氣裝置的接地設計規范》中，對于復合接地網，只能按照均勻土壤來進行計算， 計算結果較為保守。設計人員為了達到接地電阻要求，盡可能多敷設水平接地網和垂直接地極。一般但工程竣工后，經實測電阻值都遠小于設計值，由此造成電站投資的浪費。

本文利用接地計算軟件CDEGS對某光伏電站接地網設計進行改進，對多層土壤建模、接地極數量優化及動態仿真，得到最優的設計方案， 竣工后的實測值與設計值十分接近。

1 光伏電站接地特點及CDEGS軟件簡介

1.1 接地電阻

光伏發電站一般分為發電區和升壓站區，現行規范要求發電區接地電阻應小于4Ω，升壓站區接地電阻小于1Ω。

1.2 接地網

發電站區主要是復合接地網。由于占地面積較大，根據規范公式R= 0.5ρ/S，接地電阻一般很容易滿足應小于4Ω的要求。而升壓站區域，在高土壤電阻率的情況下，若采用普通的復合接地網，將很難滿足小于1Ω的要求，一般可采用深埋接地極并采用降阻劑處理、外延接地網等方式。

1.3 CDEGS軟件包介紹

CDEGS是加拿大SES公司推出的專業電站接地和土壤結構分析軟件包。其能夠模擬任意層、任意形狀的土壤，并具有接地系統設計分析、計算地表電位分布等功能。目前，光伏電站的接地網設計主要是基于經驗公式，存在著設計的盲目性和隨機性，如果接地電阻測試不合格后，再進行設計變更，很大程度上影響整個工程建設進度。CEDGS軟件的出現為電氣工程技術人員高效地設計安全的接地網提高了可靠的技術保證。

2 某光伏發電站接地網模擬及特性研究

2.1 現場概述

A、發電區域占地面積為327畝，等效為450mx490m；開閉所區域占地面積為16畝，等效為100mx100m；

B、35kV母線采用單母線分段，每段各通過1臺接地變和消弧線圈接地，每臺消弧線圈容量為800kVA。

C、季節性凍土層深度為2.5m。

D、發電站區接地電阻要求不大于4Ω，35kV開閉所接地電阻要求不大于4Ω。

E、據現場踏勘，電阻率測試，現場土層電阻率測值詳見表1。

2.2 原設計方案

水平接地極采用60×6鍍鋅扁鋼16000m， 垂直接地極采用63x6鍍鋅角鋼（2.5m長）234根，埋設深度為2.5m。

開閉所區域采用水平接地極與深井接地極相結合，水平接地極采用60×6鍍鋅扁鋼2000m，垂直接地極采用10根3x6鍍鋅角鋼（2.5m長），埋設深度為20m。

2.3 利用CDEGS對發電站區的接地網進行優化設計

根據相關數據，計算得到入地短路電流為313.2A，依據簡易公式R= 0.5ρ/S，計算得到接地電阻為12.3Ω，最大接觸電壓為803.5V，最大跨步電壓差為91.5V。規范規定的最大接地電阻為4Ω，最大接觸電壓為695.2V，最大跨步電壓為2630.8V，由此看出，除了跨步電壓符合要求外，其余2項均不符合規范要求。

首先利用CDEGS構建土壤結構模型，為5層平均土壤，空氣層和最底層為無窮大厚度。

優化后的方案與原方案對比如表2。

可以看出，利用CEDGS優化后，接地電阻和跨步電壓都有極大地降低，另外，接地極材料的數量也大幅下降。

2.4 利用CDEGS對開閉所區域的接地網進行優化設計

依據簡易公式R= 0.5ρ/S，水平復合接地網的接地電阻為62.6Ω， 根據接地規范要求，由安全接觸電壓、跨步電壓反推計算接地電阻允許值為8.57Ω，因此必須采取措施降低接地電阻。設計采用在開閉所周圍設置6個接地深井，深度為20m， 接地深井內埋設60x6x2500mm的角鋼， 接地極處加降阻劑并采用黃土回填。

根據項目地勘報告，地下水位埋深約15m，電阻率為60Ω.m

根據公式

土壤電阻率（ρ） = 60 （Ω.m）

垂直接地體長度（l） = 2.5 （m）

接地極的埋設深度（t） = 20 （m）

角鋼接地極的寬（b） = 0.06 （m）

角鋼接地極的厚（h） = 0.06 （m）

計算得到，6根垂直接地體的接地電阻Rt = 2.95（Ω）

水平接地體的接地電阻Rs = 62.6（Ω）

根據IEEE Std 80-2000的計算公式：

得到開閉所區域的復合接地電阻為2.36Ω

利用CDEGS優化后的方案與原方案對比如下：

可以看出，運用CEDGS仿真分析得到的結果和采用經驗值的結果相近。

3 結論

由以上可知，根據經驗公式計算的接地電阻值都偏保守，設計人員一般偏向于盡可能多的敷設接地極數量保證達到設計要求。CDEGS軟件可以對多層土壤進行精確地仿真分析，經優化后的接地電阻、接觸電壓和跨步電壓都有顯著的降低，并且優化方案可以使得工程投資大幅降低。

參考文獻：

[1]郭振威等.CDEGS在復雜大型接地網優化設計中的應用研究[J].湖南電力，2010（02）.

[2]孫燕.光伏電場區域防雷接地研究[J]華東電力，2012（12）.

[3]GB/T 50065-2011.交流電氣裝置的接地設計規范[S].

[4]IEEE Std 80-2000.交流變電站接地安全指南[S].endprint