塔式太陽能熱發電項目中定日鏡場的低壓供電接地系統的分析

張 瑩，陸 浩，馮永剛，白雪松

(內蒙古電力勘測設計院有限責任公司，呼和浩特 010010)

0 引言

近年來，隨著全球氣候變暖問題日益嚴重，各國對生態環境的保護也更為重視。在能源應用領域，有效利用可再生能源是應對生態問題的重要途徑之一。太陽能發電是可再生能源利用形式的一種，其中對于太陽能熱發電的高效利用已成為現階段能源轉型的重要課題。根據“十三五”規劃的部署，國家將繼續大力支持太陽能熱發電技術的發展，建設太陽能熱發電示范項目，這將使太陽能熱發電的形式日益完善，相關技術發展也將日新月異[1]。

在太陽能熱發電技術中，塔式太陽能熱發電技術是利用大規模自動跟蹤太陽的定日鏡場將太陽光反射集中到高塔頂部的接收器上，接收器將吸收的太陽能轉化成熱能，再將熱能傳給工質，經過蓄熱環節后再輸入到熱動力機，熱動力機膨脹做功，帶動發電機發電。該發電方式是未來太陽能熱發電的主要技術[2]。在塔式太陽能熱發電項目的定日鏡場區域，由于低壓用電負荷較為分散，并且定日鏡場的低壓用電負荷通常與常規島內的低壓配電裝置之間的距離較遠，因此，對于塔式太陽能熱發電項目中定日鏡場區域的低壓用電負荷到底采用哪一種低壓供電接地系統更為安全、可靠、經濟這個問題，目前還無明確的答案。

根據接地形式不同，低壓供電接地系統可以分為TN低壓供電接地系統(其中包括TN-S低壓供電接地系統)、TT低壓供電接地系統和IT低壓供電接地系統。本文將結合境外某在建的塔式太陽能熱發電項目，從安全性、可靠性和經濟性的角度出發，針對該項目中定日鏡場的低壓供電接地系統的接地形式進行探討分析，并對比分析塔式太陽能熱發電項目的定日鏡場低壓供電接地系統分別采用TT低壓供電接地系統和TN-S低壓供電接地系統時的應用特點。

1 某在建塔式太陽能熱發電項目的概況

本文以境外某在建的塔式太陽能熱發電項目(下文稱為“D項目”)為例進行分析。D項目中，定日鏡場的低壓用電負荷由常規島引來的400/230 V低壓廠用電作為電源。由常規島引至定日鏡場的電源共21個回路，低壓用電負荷在0.45～5.72 kW之間；定日鏡場低壓用電負荷距離常規島內的低壓配電裝置較遠，每個供電回路的距離均在200～1400 m之間。

2 低壓供電接地系統方案分析

為低壓供電接地系統選擇合理的接地形式，對于保障人身安全、設備安全，以及保障電力系統的正常運行至關重要。低壓供電接地系統的設計應符合國家現行標準GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規范》的有關規定。

在塔式太陽能熱發電項目的定日鏡場設計中，選擇合理的低壓供電接地系統，既能實現項目的安全性和可靠性，又能節約低壓供電電纜的用量[3]。

針對D項目的低壓供電接地系統，本文提出了2種方案，一種是采用光伏電站及太陽能熱發電站常用的TN-S低壓供電接地系統，另一種是采用TT低壓供電接地系統。下文對2種低壓供接地系統方案的優、缺點進行對比論證。

2.1 TN-S低壓供電接地系統方案

TN-S低壓供電接地系統在電源處應有1處直接接地，電氣裝置的外露可導電部分通過保護導體(即PE線)接到接地點。D項目不單獨配置中性導體(即N線)，則此項目采用TN-S低壓供電接地系統方案時，TN-S低壓供電接地系統的接地示意圖如圖1所示。圖中：L1、L2、L3均為相線。

圖1 TN-S低壓供電接地系統的接地示意圖Fig. 1 Schematic diagram of grounding of TN-S low-voltage power supply grounding system

若在定日鏡場采用TN-S低壓供電接地系統，則是通過PE線將常規島低壓配電裝置的接地系統與定日鏡場的低壓供電接地系統連接在一起，但在這種情況下，如果定日鏡場或常規島任意一處發生接地故障，那么通過PE線的連接會使故障電流在定日鏡場低壓供電接地系統與常規島低壓配電裝置接地系統中相互傳導。

TN-S低壓供電接地系統的優點是：若定日鏡場的電氣裝置端發生故障，則故障電流將通過PE線流回至常規島電源點，不會在定日鏡場的電氣裝置端出現過高的對地電壓，觸電危險大幅減小。

2.2 TT低壓供電接地系統方案

TT低壓供電接地系統中只有1處直接接地，定日鏡場內的電氣裝置的外露可導電部分應接到與常規島分離的定日鏡場接地網上。由于D項目不單獨配置N線，則此項目采用TT低壓供電接地系統方案時，TT低壓供電接地系統的接地示意圖如圖2所示。

圖2 TT低壓供電接地系統的接地示意圖Fig. 2 Schematic diagram of grounding of TT low-voltage power supply grounding system

如果在定日鏡場采用TT低壓供電接地系統，則定日鏡場低壓供電接地系統與常規島低壓配電裝置接地系統將無直接聯系，定日鏡場電氣裝置可在定日鏡場內可靠接地；當定日鏡場或常規島內發生接地故障時，故障電流不會像采用TN-S低壓供電接地系統時那樣沿著PE線傳導。

TT低壓供電接地系統發生接地故障短路時的示意圖如圖3所示。圖中：Id為故障電流；RA為電源處的接地系統的接地電阻值；RB為定日鏡場區域的接地系統的接地電阻值。

圖3 TT低壓供電接地系統發生接地故障短路時的示意圖Fig.3 Schematic diagram of TT low-voltage power supply grounding system in case of ground fault short circuit

采用TT低壓供電接地系統時，定日鏡場內電氣裝置的外殼應直接與大地連接，當定日鏡場內電氣裝置發生接地故障短路時，故障電流的回路是“電氣裝置外殼—大地—變壓器中性點—電網”。由于TT低壓供電接地系統回路中有較大的接地電阻(大地)，因此當定日鏡場內電氣裝置發生接地故障短路時，很難使線路上的保護裝置動作。下文對此情況進行具體分析。

當定日鏡場內電氣裝置發生接地故障短路時，會導致圖3中的RB和RA這2個電阻形成故障回路。

Id可表示為：

式中：Ux為定日鏡場內電氣裝置發生接地故障短路時其外殼的電位升，本文取400 V。

根據本項目的實際情況，RB=RA=4 Ω(行業內要求保護接地電阻不大于4 Ω)，則Id=50 A。50 A的故障電流不足以使保護裝置動作，若定日鏡場電氣裝置發生接地故障短路，電氣裝置外殼上的危險電壓會長期存在，觸電危險不能消除。

故障點對地電壓Ud可表示為：

代入數值可知，Ud=200 V。

根據經驗值，人體的電阻Rr=800 Ω。電氣裝置發生接地故障短路時，人若觸摸電氣裝置外殼，此時通過人體的電流Ir可表示為：

代入數值可知，Ir=250 mA。

250 mA的電流經過人體會造成致命的傷害。因此，若采用TT低壓供電接地系統，則必須增加漏電保護器來保護人身安全。

當采用漏電保護器時，Ia為漏電保護器的剩余電流的動作電流。根據GB/T 50065-2011[8]中的規定：TT低壓供電接地系統的接地電阻與電氣裝置外露可導電部分的保護導體電阻之和R應符合

經計算可知，至少應增設剩余電流為50 mA的漏電保護器以保證人身安全。

采用TT低壓供電接地系統的優點是：當常規島220 kV系統發生接地故障產生較大的故障電流時，故障電流不會像采用TN-S低壓供電接地系統時沿著PE線直接流向定日鏡場，因此不會對定日鏡場內的電氣裝置造成沖擊。

2.3 低壓供電接地系統的設計現狀分析

通過對近年來已建成的塔式太陽能熱發電項目進行分析發現：國內塔式太陽能熱發電項目中定日鏡場的低壓供電接地系統大多采用TN-S低壓供電接地系統，即在定日鏡場的電氣裝置與常規島低壓配電裝置之間的供電電纜中，除相線之外，另配置1芯電纜作為PE線；而國外的部分塔式太陽能熱發電項目，比如已投運的Ashalim塔式太陽能熱發電站，其定日鏡場的低壓供電接地系統則采用了TT低壓供電接地系統。

2.4 項目的經濟性比較

在定日鏡場內電氣裝置選型上，TN-S低壓供電接地系統方案與TT低壓供電接地系統方案的差別主要在于：

1) TN-S低壓供電接地系統中，定日鏡場供電箱進線電纜采用3芯電纜，而TT低壓供電接地系統則采用2芯電纜(無PE線)；

2) TT低壓供電接地系統需加裝漏電保護器。

對2種低壓供電接地系統在D項目中具體應用時的經濟性進行對比，可得到采用不同低壓供電接地系統時的電纜選型差價對比表，具體如表1所示。

表1 采用不同低壓供電接地系統時的電纜選型差價對比表Table 1 Comparison of price difference of cable selection when different low-voltage power supply grounding systems are adopted

另外，通過與設備制造廠家詢價發現，在斷路器中加裝1臺漏電保護器需要增加的費用約為230元。D項目的定日鏡場供電箱共有21個，采用TT低壓供電接地系統時均需加裝漏電保護器，由此增加的投資約為4830元。

綜合上述分析可以看出，由于主要電氣裝置選型的差別，總體來看，與TN-S低壓供電接地系統相比，TT低壓供電接地系統的成本有大幅降低。

由于塔式太陽能熱發電項目中定日鏡場的低壓用電負荷與常規島低壓配電裝置之間的距離一般較遠，定日鏡場的低壓用電負荷的分布也較為分散，因此推薦采用TT低壓供電接地系統作為該類項目的低壓供電接地系統。

3 結論

本文以境外某在建的塔式太陽能熱發電項目為例，從安全性、可靠性和經濟性的角度出發，對塔式太陽能熱發電項目中定日鏡場的低壓供電接地系統的選擇進行了對比分析，得到以下結論：

1) TN-S低壓供電接地系統在國內的應用廣泛，安全性較高；但是該接地系統是通過PE線將常規島的低壓配電裝置接地系統與定日鏡場的低壓供電接地系統連接在一起，故障電流會通過PE線在定日鏡場低壓供電接地系統與常規島低壓配電裝置接地系統中相互傳導。

2) 采用TT低壓供電接地系統時，定日鏡場的低壓供電接地系統與常規島的低壓配電裝置接地系統不直接聯系，能夠將接地故障控制在短路電流回路中；但是采用TT低壓供電接地系統必須加裝漏電保護器來確保人身安全。

3) 由于采用的主要電氣裝置選型不同，相較于TN-S低壓供電接地系統，TT低壓供電接地系統的工程成本更低。

綜上所述可知，由于TT低壓供電接地系統和TN-S低壓供電接地系統的特點不同，因此所適用的場合也不相同。由于塔式太陽能熱發電項目中定日鏡場區域的低壓用電負荷與常規島低壓配電裝置之間的距離一般較遠，且定日鏡場的低壓用電負荷分布也較為分散，因此推薦使用TT低壓供電接地系統作為該類項目的低壓供電接地系統。