光伏電站復合接地體電阻穩定性及適應性研究

朱青云，韓宏偉

(1.青海省產品質量監督檢驗所， 西寧 810008； 2.青海可再生能源研究所， 西寧 810003)

青藏高原地區因土壤結構復雜，電阻率普遍較高，接地電阻難以達到國家有關規范，大大增加了接地系統工程難度。隨著青海光伏電站發電功率及系統容量的日趨增大，接地網電阻穩定性和腐蝕成為目前光伏電站最為突出的問題之一[1-2]。因此，基于光伏電站存在接地網電阻過大導致電流突增、運行環境惡劣等問題，合理地選擇接地防腐降阻材料和設計復合組網接地體是電站穩定、安全運行的關鍵[3]。關于接地系統建設方面，國外研究起步較早，在試驗方法、軟件開發和計算方法等方面均開展了大量研究，但其在國內的適用性方面存在局限性[1-4]。國內也已有接地體材料、類型，接地電阻測量方法和影響因素的相關研究[5-8]。劉保綱等[9-10]研究分析了異質土壤對接地網接地電阻的影響；藍信軍等國內諸多學者對接地降阻材料的應用效果進行了相關分析與評價[10-12]。龔梅竹等[13-14]針對常用接地極在高原砂礫層的特性及適用性進行研究。李麗佳等[15-16]分析和研究了離子棒、垂直接地極、斜接地極和深水井接地極的降阻機理與特性，對變電站接地降阻優化選型技術提供理論及實踐依據。吳運策等[17]發現不同的接地材料結合使用，既能降低材料使用量，又能提高運行穩定性。關于接地降阻方法已有很多研究，但是針對青藏高原特殊環境下光伏電站接地體電阻穩定性及適應性分析的相關研究較少。本文通過對青藏高原地區共和縣光伏電站不同接地體電阻進行實測，分析了高寒、高海拔地區溫、濕度及土層結構對接地體電阻的影響，重點討論了復合組網接地體的接地效果，提出了復合組網接地體在該地區的降阻方案，為接地系統降阻和穩定性等設計提供實踐和理論依據。

1 實驗工況

1.1 實驗工況

本研究選取青海省海南州共和縣塔拉灘光伏產業園區某新能源公司共和光伏電站一期(測量場地A)和二期(測量場地B)建立實驗基地，通過埋設常用6種光伏電站接地極并定期測試接地電阻值。試驗場區位于青藏高原地區共和縣恰卜恰鎮，其氣候及環境特點大致為：海拔約2 920 m；季節性凍土，最大凍土深度為1.40 m，具有砂礫層結構土壤特征的光伏電站A和B。其中，兩場地土層結構及電阻率如表1所示。

表1 場地土層結構及電阻率

1.2 接地體

本實驗檢測了6種不同類型單體接地體的接地電阻，分別為：銅包鋼接地極、離子接地極、石墨接地模塊、鍍鋅角鋼、鍍鋅圓鋼、SZJ接地體。所用的接地材料的規格情況為：銅包鋼接地極Tom-2025，接地模塊ZGD-1，離子接地極Φ30×1 500，鍍鋅扁4×40，鋼鍍鋅角鋼50×50×5，鍍鋅圓鋼Φ10Φ16，SZJ鋼制接地體為Φ600×1 000。具體的物理特性如表2所示。

表1 接地體及相關特性

1.3 設備及檢測方法

實驗儀器：成都華衡的DS1923型紐扣式溫濕度記錄儀；英國Megger的DET2/2型接地阻抗測試儀；意大利HT的HTGE0416接地電阻檢測儀。

接地網布置：在A、B場區分別設置6個試驗接地網并采用雙排呈一字型分布，網間距為5 m。每個接地網的4個接地體采用矩形布置且首尾相連成閉合成環。各接地網垂直接地體采用鉆孔和挖坑等方式埋設。水平接地體之間及水平接地體與垂直之間連接方式符合《建筑物防雷設計規范》GB50057—2010[18]及《國家建筑標準設計圖集》[19]相關要求。接地網連接通過焊接及相關專用連接材料等連接方式，并對相關部位進行防腐處理。接地網測試點根據具體安裝情況安排在試驗場地一端，并在地面預留30 cm測試接線端子。在接地網安裝時，水平接地溝深度不小于2.0 m，溝頂寬0.8 m，溝底寬度0.8 m。接地溝應保證溝底水平，并清除溝底雜物和直徑大于10 cm的石塊。接地體安裝完成后應及時回填，并分層夯實。

為了減少實驗誤差，采用同一場區兩組數據的算數平均值作為該場地的溫、濕度值，采用每測試日10∶50—11∶40時間段內接地電阻的一組數據。

2 實驗接地體電阻測量

本實驗采用垂直接地極，依據GB/T50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規范》[20]，垂直接地理論電阻計算公式如下：

(1)

式中：R、d及l分別為土壤電阻率(Ω·m)，接地體直徑(m)和垂直接地極入地長度(m)。

雙層土壤中地網接地電阻近似計算公式為[21]

(2)

式中，S，ρd=ρ1+(ρ2-ρ1)K分別為地網面積(m2)和等值土壤電阻率(Ω·m)，其中ρ1，ρ2和K=0.6分別指上、下層土壤電阻率(Ω·m)和相關系數[17]。

于是，將式(2)代入式(1)，最終得出垂直接地理論電阻為

(3)

假設測量裝置回路的總電阻為Rt，即

Rt=Rg+Rv

(4)

式中：Rg為接地極電阻；Rv為垂直接地土壤電阻。

根據相關分析，接地網電阻測量設計時考慮的主要因素有：接地網的面積，接地網的埋深，接地網的形狀，接地體半徑和土壤等。本文中通過實際測量總電阻數據，最終計算得出如下接地體電阻相關數據。

3 實驗結果及討論

3.1 溫、濕度對接地體電阻的影響

2018年8月到2019年9月期間，測試場地A、B的溫、濕度變化趨勢如圖1所示。

圖1 測量場地A，B的溫、濕度變化曲線

測量結果表明：測試場地A、B測試時間段的最高溫度均出現在8月中旬，分別為 17.3 ℃和19.3 ℃，相差2.0 ℃；最低值均出現在1 月中旬，分別為-1.80 ℃和-3.0 ℃，相差1.2 ℃；且溫度隨時間變化較為明顯，A、B場地溫度最大差值分別為19.1 ℃和22.3 ℃。A、B場地的土壤濕度隨著時間變化較小，但水分含量均較高，且測試場地A濕度略大于測試場地B，這主要與測試場地的土層結構有關，測試場地A土壤主要為沙礫土，而測試場地B土壤為沙礫土間雜有較多鵝卵石，土質相對較為細密的場地A比場地B更易保持水分。

圖2、3分別顯示了測量場地A和測量場地B中溫、濕度對接地體電阻的影響。根據圖2、3可知：同一接地體在不同溫、濕度環境下電阻變化明顯存在差異，其中溫度變化與濕度變化對接地體電阻變化的影響也存在明顯區別，溫度與接地電阻值之間呈弱負相關，濕度與接地電阻呈弱正相關。

圖2 測量場地A接地體電阻隨溫度和濕度的變化曲線

圖3 測量場地B接地體電阻隨溫度和濕度的變化曲線

3.2 接地體類型對接地電阻的影響

圖4反映了測量場地A和B中6種不同類型單體接地體的接地電阻測量值的變化趨勢。圖4結果表明：測量場地A中，不同類型接地體的接地電阻大小為： SZJ接地裝置>銅包鋼接地極>離子接地極>角鋼接地極>圓鋼接地極>石墨接地模塊。測量場地B中，不同類型接地體的接地電阻大小為：SZJ接地裝置>離子接地極>銅包鋼接地極>角鋼接地極>圓鋼接地極>石墨接地模塊。各個類型接地體電阻最大值均出現于1月份，且接地電阻變化存在較大差異，SZJ接地裝置的變化較為明顯。因此，單體接地體類型對接地電阻具有較大的影響。

圖4 不同類型接地體的接地電阻曲線

3.3 單體接地體接地效果分析

圖5給出了測量場地A、B單體接地體接地電阻的季度變化及年平均值情況。由圖5可知：單體接地體冬季時其電阻值較大，其次分別是春季、秋季和夏季，也即夏季電阻值偏小。圖5也反映出，對于不同類型接地體中，SZJ接地體在測量場地A的接地電阻明顯小于場地B，其余接地體在場地A的接地電阻明顯大于場地B對應值。因此，對于同一類型接地體，接地體的接地電阻受場地的影響較為明顯。該測量結果進一步反映了單體接地體接地電阻不僅受到溫濕度的影響，還受到土壤結構的明顯影響。

圖5 測量場地A、B單體接地體季度及年度電阻變化曲線

3.4 組合接地體接地效果分析

圖6給出了測量場地A、B兩組網接地體電阻季度變化及年平均值情況。從圖6結果看出：兩種不同類型接地體的組合接地體電阻值波動明顯，但隨季節變化波動趨勢基本一致。其中，離子接地體與SZJ接地裝置組網接地和角鋼與SZJ接地裝置組網接地其電阻值波動較大。相比單體接地體電阻，兩網接地體電阻值較低。

圖6 兩網組合接地體電阻值及電阻值隨季度變化曲線

圖7給出了測量場地A、B四組網接地體電阻季度變化及年平均值情況。A場地季節電阻變化較為明顯，且圓鋼+銅鋼+角鋼+接地模塊組網接地體其電阻值相對較小。通過圖6和圖7電阻結果對比分析發現：隨著接地體組網組數的增加，其接地體電阻值逐漸減小，且年度電阻值季節變化趨于穩定。這個結論符合物理中導體接觸面增大，電阻值變小的理論。

圖7 4網組合接地體電阻值及電阻值隨季度變化曲線

圖8反映了測量場地A和B中，2網、4網及5網組合接地電阻的變化情況。結果表明：組網數量的增加能夠降低接地平均電阻值。對于組網接地體來說，測量場地B電阻值明顯低于測量場地A，與單體接地電阻趨勢一致。根據以上實驗結果，從接地電阻的穩定性、接地體的實用性和經濟性角度出發，針對青藏高原地區，選用圓鋼+銅鋼+角鋼+接地模塊的組網接地體更為合適。

圖8 組合接地體電阻變化直方圖

4 結論

1) 環境溫、濕度，接地土壤結構對接地體電阻具有一定的影響，溫度與接地電阻值呈弱負相關，而濕度與接地電阻值之間呈弱正相關。

2) 接地體年度電阻平均值及其穩定性受季節效應影響明顯。

3) 在青藏高原地區的特殊環境下，光伏復合組網接地體的設計顯著降低接地體年度平均電阻值，并能夠提高接地體電阻總體穩定性，故推薦在該地區使用圓鋼+銅鋼+角鋼+接地模塊的組網接地體。

4) 該地區光伏電站測量接地電阻應在1月份進行，此時滿足接地要求，能保證全年其他時間接地滿足要求。