智慧能源站的接地系統優化設計

李 凡，謝 彬，徐婷婷，孔 林，劉光華

(中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，湖南 長沙 410007)

0 引言

隨著電力信息化、新能源發電、儲能技術的進一步發展，傳統意義的變電站開始向智慧能源站轉變，國內開始建設首批智慧能源站。智慧能源站是集變電站、數據中心站、儲能站、分布式光伏等部分的綜合能源體。

長期以來高壓電力系統和信息通信系統水火不容，電力系統對信息通信系統的危險影響非常嚴重[1]。變電站發生接地短路時，故障電流可達數千安培，地電位升高會造成通信系統的損毀。因此，為維護設備安全可靠運行、保障運行人員和設備安全，需設置智慧能源站接地系統。但是，目前并未有針對智慧能源站制定相關的接地標準，且智慧能源站的設計及運行經驗不足，因此，有必要對智慧能源站接地系統予以研究。

1 主接地網型式的選擇

以往工程中，為避免入地故障電流產生的地電位升及地電位差對信息通信設備造成破壞、威脅人身安全，高壓輸變電系統和信息通信系統采用的主要技術措施是兩者相互遠離[2-4]。但是對于智慧能源站，作為一個有機能源綜合體，變電站和數據中心站采用合建方式。因此，變電站、數據中心站、儲能站、光伏等各部分的地網采用緊密合建，還是相互獨立，本節通過CDEGS軟件仿真進行驗證[5]。

為使接地系統具備工程實際意義，本文基于湖南某智慧能源站開展相關研究。該智慧能源站包括變電站、數據中心、儲能站、分布式光伏(布置在建筑物屋頂)四個部分，圍墻長寬為154 m×82 m，如圖1所示。變電站位于丘陵地區，現場實測土壤電阻率后，通過CDEGS軟件反演出土壤電性分層模型，如表1 所示，水平三層結構，土壤電阻率較高。本站在考慮分流系數后，變電站的入地故障電流為10.98 kA。

圖1 湖南某智慧能源站平面布置示意圖

表1 智慧能源站土壤電阻率

為使故障電流能夠向大地有效散流，智慧能源站設計了三種型式的主接地網：各部分獨立地網、獨立地網之間通過單根導體互聯和整體地網。利用CDEGS軟件進行仿真計算[5]，各地網型式的地電位升分布如圖2～圖4所示。

圖2 各部分獨立地網地電位升三維分布圖

圖3 單根導體互聯的接地網電位升三維分布圖

圖4 整體接地網地電位升三維分布圖

從圖2中可以發現，在每個獨立地網內部，地電位升的分布是非常均勻的，只有在獨立地網之間的“空地”上，會發生較大的地電位升降低。各部分地網相互獨立時，在相同故障下變電站接地網上的地電位升遠高于其他部分，從而導致了二者之間產生較大的電位差。地網之間采用單導體互聯時，臨近區域的地網地電位升會抬升，變電站地網與其它部分地網之間電位差減小，變電站的地網地電位升較相互獨立地網時減少35.5%。當各部分地網互聯時，各部分地網的地電位升差異變小，隨著不同地網之間的聯絡導體數量增多，并最終形成一張大地網時，整個區域內的地電位升應基本趨于一致，地網的地電位升差值僅為6.9 V。

因此，各地網相互緊密連接時，各地網之間將獲得良好的均壓效果，可保證人身和設備安全。故本站考慮建立共用的整體主接地網，各部分均通過此地網接地。

2 智慧能源站接地要求的確定

由于變電站、數據中心站、儲能站、光伏采用整體主接地網，但是各部分對于主接地網的要求各不相同，詳見下列規范：

1)根據GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規范》中4.2.1條規定：一般情況下，R≤2 000/I。在符合本規程4.3.3條的規定時，接地網地電位升還可以進一步提高至5 kV；必要時，經專門計算，且采取的措施可確保人身和設備安全可靠時，接地網地電位升還可以進一步提高。

2)根據GB50174—2017 《數據中心設計規范》8.4.2 條規定：保護性接地和功能性接地宜共用一組接地裝置，其接地電阻應按其中最小值確定。但該規范并未給出相應的具體要求值和計算公式。

3)根據GB/T 51048—2014《電化學儲能電站設計規范》6.6.3條規定：接地設計，應敷設現行國家標準《交流電氣裝置的接地設計規范》GB/T 50065 的規定。

4)根據GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》8.8.4條規定：光伏方陣接地應連續、可靠，接地電阻不大于4歐姆。

綜合智慧能源站各部分的規范接地要求，當電纜長度不超過接地網邊長的一半時，在最嚴酷的條件下，芯—屏蔽層電位差小于40%，甚至更小。因此采用二次電纜屏蔽層雙端接地，可以將地電位升高放寬到2 kV/(40%)=5 kV，但作用在二次電纜芯—屏蔽層之間和二次設備上的電位差只有2 kV，滿足了二次系統安全的要求。故智慧能源站的接地電阻應滿足跨步電位差、接觸電位差、5 000/I的地電位升要求，且不應大于4Ω。

根據GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規范》提供的校驗公式，跨步電位差限值的計算公式為：

接觸電位差限值的計算公式為：

式中：ρs為地表層的電阻率；Cs為表層衰減系數；ts為接地故障電流持續時間。

3 接地系統的優化設計及仿真計算

本站首先采用常規水平接地網和垂直接地極組成的復合接地網，主地網水平接地體采用40×4 mm的扁銅，垂直接地體采用2.5 m長的D20 mm銅棒。經仿真計算，最大地電位升為54 186.7 V，接觸電位差和跨步電位差均不滿足限值要求。一般智慧能源站的占地較小，一旦土壤電阻率較高，普通的主接地網方案無法滿足接地電阻的要求。為此，可以根據站址的地質和水文條件，在地網橫向占地面積和縱向跨越深度方面考慮，采用多種降阻措施共用的方法進行降阻，建立復合立體主接地網,如圖5所示。

圖5 復合立體主接地網軟件建模

通過采用連接至自然接地體、擴大地網、深井接地等降阻措施，經軟件仿真計算,計算結果如表2所示。采用復合立體接地系統后的接地電阻為0.425Ω，最大接觸電位差507.958 V，最大跨步電位差195.996 V，均滿足最大限值要求，全站的接地系統各項技術指標優化效果顯著。

表2 接地系統的優化設計仿真計算結果

4 結論

智慧能源站接地系統是維護設備安全可靠運行、保障運行人員和設備安全的根本保證和重要措施。經分析不同型式主接地網的地電位升后，采用共用整體主接地網的均壓效果最好。在分析各部分對于接地網的要求后，智慧能源站接地電阻應滿足跨步電位差、接觸電位差、5 000/I的要求，且不應大于4Ω。由于采用常規水平接地網和垂直接地極組成的復合接地網無法滿足接地電阻要求，因此在地網橫向占地面積和縱向跨越深度方面考慮，采用多種降阻措施共用的方法進行降阻，建立復合立體主接地網。