共享儲能電站接地網(wǎng)優(yōu)化分析

中圖分類號：TM7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）21-0125-05

Abstract：InviewofthehighsoilresistivityofthesitewherethesharedenergystoragepowerstationinNorthwestChinais located，whichleadstoighcontactvoltageandstepvoage，whichinurnafectsequipmentsafetyandpersonalsafety.Tis paperoptimizesthedesignofthegrounding networkofthesharedenergystoragepowerstation，andanalyzestheimpactofvariousmethodssuchaslayingasphaltconcrete，instalinghorizontalgroundelectrodes，andinstalingshaftsonthetwoindicatorsof contactvoltageandstepvoltage.SimulationswerecariedoutinCDEGSsoftware，andtheresultsshowedthattheallowablevaluesofthecontactvoltageandstepvoltageoftheenergystoragepowerstationcanbeimprovedbylayingasphaltconcreteon thesurfaceofthesharedenergystoragepowerstation，andonthisbasis，ashaftcanbeinstalledtomakethecontactvoltage andstepvoltagemeettherequirements，whichcanensureequipmentandpersonalsafety.Thesimulationresultsverifytheeffectiveness and applicability of the proposed method.

Keywords： shared energy storage; grounding grid;high soil resistivity; contact voltage; step voltage

2018年青海省提出“共享儲能\"這個概念，即整合分散的電源-電網(wǎng)-用戶等多方面資源，一并交由電網(wǎng)處理，用于提高資源利用率。國內(nèi)外學(xué)者對于共享儲能研究非常深人，主要集中在對儲能容量進(jìn)行優(yōu)化配置[1-5]、儲能相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究[6-10]等方面。文獻(xiàn)[1-2]提出了通過對儲能容量進(jìn)行優(yōu)化配置來降低風(fēng)力發(fā)電波動。竇真蘭等以降低風(fēng)力發(fā)電波動性和增加調(diào)頻收益為目標(biāo)，對儲能容量進(jìn)行優(yōu)化配置。馬楠等4為使儲能利益最大化，提出了在風(fēng)電場場景下容量配置模型。文獻(xiàn)[5綜合考慮了光伏電站出力波動性以及光熱電站功率控制，提出了光伏電站、光熱電站以及儲能電站聯(lián)合控制策略。文獻(xiàn)[6對于大型儲能電站關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[7-8分析了復(fù)合介質(zhì)對于儲能性能的提升。文獻(xiàn)[9]分析了壓縮空氣儲能中換熱器對于儲能效率的影響。文獻(xiàn)[10]提出了耦合熔鹽儲熱，分析了儲能熱力性能。

截至2025年1月，超1GWh項目開始進(jìn)行招標(biāo)工作，其中在建和并網(wǎng)投運的儲能項目規(guī)模超 4GWh 隨著共享儲能的大規(guī)模發(fā)展，共享儲能電站也迎來新的挑戰(zhàn)，即在電氣安全方面。國內(nèi)外學(xué)者對于共享儲能電站的接地網(wǎng)研究很少。然而共享儲能電站因其規(guī)模大、設(shè)備多、運行環(huán)境復(fù)雜，接地網(wǎng)設(shè)計需滿足更嚴(yán)格的安全性和穩(wěn)定性要求。尤其是對于高土壤電阻率地區(qū)，接地網(wǎng)的合理化設(shè)計直接關(guān)系到接觸電壓和跨步電壓的大小，進(jìn)而影響共享儲能電站設(shè)備的穩(wěn)定運行以及人員的安全。因此本文以共享儲能電站為研究基礎(chǔ)，研究了高土壤電阻率共享儲能電站接地優(yōu)化分析。

1儲能電站工程概況

西北某地區(qū)擬在光電園區(qū)新建共享獨立儲能電站，該電站所在地區(qū)為戈壁荒灘，基土為第四系沖洪積的礫卵石土組成。地形平坦開闊，除該站址東南側(cè)為光伏電站外，其他周邊環(huán)境比較簡單，勘測期間未見地下水。

2儲能電站土壤模型反演

采用常規(guī)的對稱四級探測法對儲能電站站址土壤電阻率進(jìn)行測量，如圖1所示。

圖1中 _A，B 為供電電極， M，N 為測量電極。根據(jù)公式（1）計算裝置系數(shù) K 根據(jù)公式（2）計算視電阻率 ρ_s

式中： I 為注入電流， ΔU_MN 為測量電極間電壓。在儲能電站內(nèi)均勻分布測點，共完成5個測試點，具體詳見表1。

對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤模型反演，利用CDEGS模擬軟件對土壤進(jìn)行水平分層，將土壤模型分別劃分為2、3和4層，仿真結(jié)果見表2。

從表2可以看出，當(dāng)土壤模型選為2層時，誤差率較高，為 16.1180% ;在4層土壤模型時，其中第1層厚度約為 0.975m ，不到 1m ，厚度很小，與3層土壤模型誤差率差別不大，因此，沒有必要將土壤模型分為4層，3層土壤模型為最優(yōu)土壤模型，誤差率較小且有合理的土壤分層結(jié)果。

3層土壤模型中，第1層土壤電阻率為 138.1397Ω?m 第2層土壤電阻率為 532.2837Ω?m ，第3層土壤電阻率為 ，上述3層土壤電阻率均較高，并且隨著土壤深度越深，土壤電阻率越高，這是因為土壤主要是由礫卵石構(gòu)成，從而導(dǎo)致土壤電阻率高。

3共享儲能電站接地分析

3.1共享儲能電站接地網(wǎng)安全性評估

衡量共享儲能電站接地網(wǎng)安全性主要有接觸電壓和跨步電壓[12等指標(biāo)。該共享儲能電站接地網(wǎng)已知條件有：接地網(wǎng)埋深為 0.8m ，面積為 （200×200）m² ，網(wǎng)格大小為 10m×10m ，等間距鋪設(shè)。接地材料選用熱鍍鋅扁鋼，等值半徑為 0.03m 。最大人地短路電流 I_G 為25.5kA ，短路電流持續(xù)時間 Φ_t 為 0.5s 。在初始狀態(tài)下（即不采取其他措施的情況下），共享儲能電站接地網(wǎng)接觸電壓充許值 U_E 和跨步電壓充許值 U_F 分別見式（3）式（4）[13]

式中："ρF為第1層土壤電阻率，大小約為 138.14Ω?m. C_s 為表層衰減系數(shù)，計算公式如下

式中： ρ₂ 為第2層土壤電阻率，大小約為 532.28Ω?m h_F 為表面土壤厚度，取值 1.35m 。主接地網(wǎng)實際最大接觸電位差 U_e 和最大跨步電位差 U_f 如公式（6）和公式（7）所示[14]

式中 ：ρ 為綜合土壤電阻率，取值為 971.20Ω?m （2 K_mL_mK_i 分別表示為網(wǎng)孔電壓幾何校正系數(shù)、不規(guī)則形狀矯正系數(shù)， L_M 表示有效埋設(shè)長度， K_f 為幾何矯正系數(shù)， L_f 為埋入地下的接地系統(tǒng)導(dǎo)體有效長度。通過CDEGS軟件仿真，結(jié)果如圖2、圖3所示。

從圖2可以看出該儲能電站在初始狀態(tài)下最大接觸電壓 U_e 為 2557.805V ，遠(yuǎn)大于 U_E 即 187.900V 最大跨步電壓 U_f 為 1 058.445V ，也遠(yuǎn)大于 U_F 即287.900V ，接觸電壓和跨步電壓這2個指標(biāo)均不滿足要求。一旦發(fā)生短路事件，可能會危及設(shè)備和人身安全，因此需采取其他措施，保證設(shè)備和人身安全。

3.2 儲能電站主接地網(wǎng)優(yōu)化運行

為保護(hù)站內(nèi)設(shè)備及人身安全，在接地網(wǎng)做絕緣處理的前提下，戶外配電裝置區(qū)域鋪設(shè)絕緣層礫石，路面鋪設(shè)瀝青混凝土，絕緣厚度不小于 20cm ，電阻率取值5 5000Ω?m 接觸電壓允許值 U_E 可提升到 1162.7V ，跨步電壓充許值 U_F 可提升到 4187.3V 。通過CDEGS仿真，結(jié)果如圖3所示。

由于最大接觸電壓 U_e 仍大于允許值 U_E ，需采取措施進(jìn)一步降低最大接觸電壓 U_e 。常見的降低 U_E 和U_F 的方法有加裝接地極、加裝豎井和換土法，但是換土法費用昂貴，在其他方法均不滿足的條件下，才考慮換土法。

在鋪設(shè)瀝青混凝土后的接地網(wǎng)四角裝設(shè)4根水平接地極長度為 100m ，等值半徑為 0.03m 仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，在主接地網(wǎng)4個角增加水平接地極，使得儲能電站內(nèi)部 U_e 降低，儲能電站外部反而提升至 8219.711V ，比未裝設(shè)4根水平接地極下的 U_e 更高，會嚴(yán)重影響站外人員安全。因此采用裝設(shè)水平接地極方法并不適合。

為了解豎井對于共享儲能電站接地網(wǎng)性能影響，在鋪設(shè)瀝青混凝土后接地網(wǎng)4個角，裝設(shè)4個豎井，在豎井內(nèi)填充焦炭，使接地體與巖石裂縫中的焦炭接觸良好，擴(kuò)大接地體面積，豎井裝設(shè)深度為 100m 。通過仿真軟件分析，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可知， U_e 降至為785.332V，小于 1162.700V 。U_f 進(jìn)一步降低至 623.047V ，遠(yuǎn)小于 4187.300V 。因此U_e 和 U_f 均滿足要求。

4結(jié)束語

共享儲能電站在提高資源利用率方面具有重要的作用，本文以共享儲能電站為研究基礎(chǔ)，對西北地區(qū)高土壤電阻率的儲能電站接地網(wǎng)進(jìn)行分析，結(jié)果如下：對于土壤電阻率高的儲能電站接觸電壓和跨步電壓如果不滿足條件，可通過在表面鋪設(shè)瀝青混凝土提高儲能電站的接觸電壓和跨步電壓的允許值；在主接地網(wǎng)上，增設(shè)水平接地極可以使站內(nèi)指標(biāo)值得以降低，但是儲能電站站外卻并未降低，反而提高，危及站外人身安全，存在安全隱患；通過加裝豎井，可降低最大接觸電壓和跨步電壓的值，來保障共享儲能電站的設(shè)備和人身安全，方法可行。本文所提方法不僅適用于西北地區(qū)高土壤電阻率的共享儲能電站，對于其他高土壤電阻率的地區(qū)也具有普適性。

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