光伏發電站電氣設計中的關鍵做法分析

【關鍵詞】低壓交流電纜；接地；預裝式變電站；接地變壓器

引言

實現碳達峰、碳中和是我國立足國內、國際兩個大局做出的重大戰略決策。自該目標提出以來的5年間，我國可再生能源裝機規模不斷取得新突破，發電量穩步增長。我國太陽能資源豐富，全國約2/3的地區年總輻照量超過5 000兆焦/平方米，且國土遼闊，具備建設光伏發電站的條件。因地制宜的太陽能利用方式豐富多樣，包括傳統的牧光互補、農光互補、林光互補、漁光互補等，而當前“風光儲制氫氨醇一體化項目”作為綜合性能源系統，更是成為行業發展的熱點。光伏發電站作為新能源的重要組成部分，其電氣設計的主要差異體現在額定容量和發電母線電壓上。在進行光伏發電站電氣設計時，需依據建設的地理條件和外部環境因素進行具體考量。

一、低壓交流電纜選型與敷設

逆變器將光伏組件輸出的直流電能逆變為交流電，低壓交流電纜作為承載逆變器交流輸出的關鍵設備，其導體材質通常為銅或鋁。在光伏發電站中，出于經濟性考慮，電纜導體多采用鋁合金材質；而在建筑物屋頂光伏發電系統中，電纜導體多選用銅材質。低壓交流電纜的絕緣水平需與系統接地型式相匹配，接地型式應與逆變器支持的電網形式一致。以市面上主流的320 kW組串式逆變器為例，其交流側輸出電壓為三相800 V，支持的電網接地型式為IT型，即系統側不接地，僅在設備處接地。在此接地型式下，低壓交流電纜的相導體與絕緣屏蔽之間的額定電壓需不小于回路工作相電壓的173%，即800 V。因此，常規的0.6/1 kV低壓電纜無法滿足要求，必須選用1.8/3 kV絕緣水平的低壓電纜。

由于光伏發電站大多建設于戶外，低壓電纜會受到環境溫度的影響。在年最低氣溫低于-15℃的環境中，低壓電纜的絕緣類型應選擇交聯聚乙烯，外護層類型則應選擇聚乙烯。電纜芯數的選擇也與系統接地型式相關，IT接地型式下，低壓交流電纜芯數為3芯；TN接地型式下，電纜芯數為3+2芯。低壓交流電纜截面的選擇需滿足載流量要求。敷設方式會對電纜載流量產生影響，因此需進行相應的校正計算。

逆變器至預裝式變電站間的低壓交流電纜，首先自逆變器向下至土壤表面的一段在空氣中敷設；其次該電纜在土壤中直埋敷設；最后，從土壤表面向上進入預裝式變電站的一段再次在空氣中敷設。依據《電力工程電纜設計標準》附錄D，空氣中敷設部分的電纜載流量需要乘以環境溫度校正系數、空氣中單層多根并行敷設校正系數。直埋敷設部分的電纜載流量需要乘以環境溫度校正系數、土壤熱阻校正系數、土壤中直埋多根并行敷設校正系數。同一根電纜在不同敷設方式下的載流量以多種情況校正后的小值來取值[1]。

為了抵消部分集電線路的電能損耗，通常行業要求逆變器在環境溫度30℃及以下時，可以1.1倍額定功率過載運行。過載運行能輸送更多的電能，所以選擇電纜載流量時要按照逆變器的最大輸出電流考慮。根據載流量選擇低壓交流電纜截面后，還需要對其進行電壓降校驗。依據《光伏發電站設計規范》第8.9.1條，光伏系統交流電壓降落不宜大于3%[2]；在光伏發電系統的交流側，若配置有升壓箱變，可將高壓交流電壓降低約1%，從而確保低壓交流電纜的電壓降控制在2%以內，以達到適宜的運行狀態。低壓電纜敷設方式需要因地制宜，如漁光互補項目采用橋架敷設，農光互補項目采用直埋敷設，直埋敷設的電纜承受較大壓力時需要帶鎧裝層。其中農光項目如在山地，土地巖石層較厚難以直埋敷設的，可以采用橋架落地布置敷設，橋架距地面間距不小于0.3 m。低壓交流電纜截面選型與敷設方式息息相關，不同的敷設方式對電纜載流量有影響，電纜截面也需要通過電壓降要求的校驗，設計時可以依據不一樣的場景進行合理規劃。

二、光伏區接地設計

電力系統、裝置或設備的接地分為系統接地、保護接地、雷電保護接地、防靜電接地。光伏方陣的接地是保護接地的一種體現，為了電氣安全，將光伏場區的裝置、設備進行一點或多點接地。其一，依據《光伏發電站設計規范》第8.8.4條，光伏方陣的接地電阻應小于4 Ω；其二，依據《光伏發電站設計規范》第8.2.7條和《光伏發電工程電氣設計規范》第4.8.1條，35 kV集電線路系統中性點采用低電阻接地方式，接地電阻的阻值依據《交流電氣裝置的接地設計規范》第4.2.1條計算[3]。兩個規范的規定值和計算值取小者作為工程接地電阻的要求值。這些要求是因為二次系統的絕緣耐受電壓為2 kV，從安全角度出發，在設備單相接地故障時，可避免損壞二次電纜或二次設備。

在實際工程設計時，通常是在光伏區沿著最外圍一圈方陣，距離支架樁不小于1 m處設置人工接地極，接地極埋設深度不小于0.8 m，外緣閉合且外緣的角做成圓弧，圓弧的半徑不小于方陣行間距的1/2。距離接地極最近的支架采用接地導體和接地極連接，支架之間采用接地導體連接，每行支架和接地極之間連接點不少于2個，光伏組件金屬邊框與支架之間采用銅導線進行可靠接地連接。在進行實地測試接地電阻前，可以依據《交流電氣裝置的接地設計規范》附錄A估算接地極的接地電阻，實測接地電阻不滿足要求時增設人工垂直接地極或填充降阻劑來降低接地電阻。在經接地網入地的最大接地故障不對稱電流一定時，地電位升高與接地電阻的大小成正比，因此要求接地電阻的阻值較小，避免地電位過度升高。同時接地網的布置型式和地電位升高會對實際最大接觸電位差和最大跨步電位差產生影響。選擇接地極截面前需要先計算接地導體截面，依據《交流電氣裝置的接地設計規范》第4.3.5條熱穩定要求算出接地導體截面；接地極截面不小于接地導體截面的75%，再與滿足規范規定機械強度要求接地材料的最小尺寸進行比較，兩者取大值作為接地極的截面積。

對于鹽堿地或潮濕的場地，土壤對接地極存在腐蝕的作用。考慮到腐蝕的影響，在光伏發電站使用年限25年內，接地極應采取防腐蝕措施保證截面達到設計要求。通常可以將鋼材進行熱鍍鋅，熱鍍鋅扁鋼腐蝕速率一般為0.065 mm/a，25年腐蝕厚度為1.625 mm，設計時應考慮在厚度和寬度加上腐蝕的裕量。在腐蝕特別嚴重的地區，如沿海的坑塘水面，采用鍍鋅扁鋼無法滿足要求時，可以采用鋅包鋼作為接地極，鋅包鋼接地極之間采用放熱焊接。光伏發電站采用鋅包鋼作為接地極時，鋼芯圓鋼直徑不小于10 mm；如在土壤電阻率大于50 Ω·m的地區，水平接地極鍍鋅層厚度為1 mm，垂直接地極鍍鋅層厚度為3 mm，則鋅包鋼水平接地極直徑為12 mm，鋅包鋼垂直接地極直徑為16 mm。接地電阻的計算、接地極的選擇、防腐蝕要求，這些可以從數據驗證的角度，佐證接地設計的合理性。

三、預裝式變電站電氣設備設置

預裝式變電站是光伏發電站中用于就地升壓的關鍵設備，包含就地升壓變壓器及相關配電裝置。升壓變壓器通常選用油浸自冷、無載調壓電力變壓器；在防火要求較高的園區等場所，則選用干式變壓器。變壓器的聯結組別根據接地型式選擇，若低壓側不接地，則采用DY11聯結；若低壓側直接接地，則采用DYN11聯結。

變壓器低壓側額定電壓通常為逆變器輸出額定電壓，如逆變器接地型式為IT，則輸出電壓為0.8 kV，逆變器接地型式為TN，則輸出電壓為0.4 kV；變壓器高壓側額定電壓需要考慮線路電壓降，一般按照接入電力系統標稱電壓的5%提升。依據《光伏發電工程電氣設計規范》第3.2.4條，考慮升壓變壓器過載能力，升壓變壓器容量與所連接逆變器最大輸出功率比為1∶1.1時可安全運行，即變壓器容量與逆變器額定容量一致。變壓器能效可按照《電力變壓器能效限定值及能效等級》中能效能級2級選取。變壓器低壓側采用框架斷路器連接低壓母線，工程中框架斷路器的整定電流通常按照變壓器低壓側額定電流的1.3倍選擇，可滿足逆變器在1.1倍最大輸出電流工況下的過負荷要求。在低壓側不接地的情況下，需要設置1臺5 kVA的輔助變壓器，聯結組別Dyn11，并將其低壓側中性點直接接地，為箱變測控、光伏區監控、視頻監控等需要220/380 V交流電源的負荷提供可靠供電。同時，設置供電時間不低于0.5 h的交流不間斷電源來保證通信可靠性。

變壓器低壓母線饋線設置的塑殼斷路器數量需要與接入的逆變器數量匹配，塑殼斷路器的整定電流需考慮逆變器1.1倍過載能力，如320 kW組串式逆變器，輸出電壓0.8 kV，最大輸出電流為254 A，則對應回路塑殼斷路器的反時限脫扣器整定電流取315 A。變壓器高壓側可采用負荷開關熔斷器組合電器或斷路器，具備就地和遠方控制功能即可。變壓器高壓側和低壓側需要配置避雷器進行過電壓保護。由于高壓開關設備無過負荷能力，故預裝式變電站高壓側開關的額定電流考慮變壓器過載，且按照產品的標準序列選取。如3 200 kVA油浸變壓器高壓側，變壓器過載能力1.5倍，計算電流為79 A，采用負荷開關-熔斷器組合電器的負荷開關額定電流可選擇630 A，熔斷器額定電流可選擇100 A；采用斷路器額定電流可選擇630 A。在高海拔地區，還應對升壓變壓器的外絕緣和允許溫升進行海拔修正。依據《光伏發電站設計規范》第8.2.5條以及技術經濟性要求，預裝式變電站與預裝式變電站之間采用“T”接式連接方式，這就要求變壓器的高壓母線需要預留高壓電纜接入條件，如滿足3回高壓電纜接入，以便多個預裝式變電站連接成一回集電線路。通常情況下預裝式變電站的防護等級不低于IP54；如在污穢嚴重的地區，可以采用IP65；在工業區或者沿海地區海灘，還需要考慮防腐蝕等級C。預裝式變電站需要與所帶發電單元的容量相匹配，故設備配置數量各不相同，總體思路可以按照以上涉及的內容進行參考，細節部分要與實際工程要求相符。

四、接地變壓器兼做站用變壓器選擇

接地變壓器用在中性點絕緣的三相電力系統里，作用是為電力系統提供中性點，該中性點可以直接接地，也可以通過電抗器、電阻器或消弧線圈接地[4]。當系統中性點可以引出時，選用單相接地變壓器；當系統中性點不能引出時，選用三相變壓器。一光伏升壓站主變壓器的35 kV側采用三角形接線方式，缺乏中性點。為使接地故障電流得以流通，確保繼電保護裝置正常動作，需人為構建一個中性點，因此必須設置三相接地變壓器。依據《光伏發電站設計規范》第8.2.7條和《光伏發電工程電氣設計規范》第4.8.1條，35 kV集電線路系統中性點的接地方式為低電阻接地。接地電阻消耗功率可以依據《導體和電器選擇設計規程》附錄B計算[5]。接地變壓器的絕緣水平與所連接系統絕緣水平要一致，接地變壓器通常采用干式無勵磁調壓的變壓器，擁有事故過負荷能力，如按照繼電保護配置要求，零序過電流I段保護的動作時間整定為10 s，即過負荷持續時間10 s。依據《導體和電器選擇設計規程》附錄B可得干式變壓器過負荷量與額定容量之比為10.5。在此工況下，接地變壓器的額定容量可以由接地電阻消耗功率除以10.5得到。

變電站內一般有動力負荷、電熱負荷和照明負荷，這些負荷電壓等級為0.4 kV，需要設置一臺站用變壓器專門給這些低壓負荷供電。從經濟性角度考量，若為35 kV母線單獨配置一面饋線柜以供站用電變壓器使用，會造成資源浪費。因此，接地變壓器可兼作站用電變壓器，通過其低壓側為站用負荷提供電源，從而實現資源的高效利用。站用變壓器容量可依據《光伏發電站設計規范》第8.3.5條，不小于計算負荷的1.1倍。曲折接線變壓器具有零序阻抗低、空載阻抗高、損耗低的特點。接地變壓器兼作站用變壓器時，多采用Z型聯結組別，如ZNyn11。接地變壓器的低壓側0.4 kV直接接地系統，直接給站內低壓設備供電，這樣可以節省一面饋線柜。只需要在接地變壓器的基礎上，增加站內設備用電需求容量。

以110 kV升壓站單獨設置站用變壓器容量315 kVA和單獨設置接地變壓器容量630 kVA舉例，若采用接地變壓器兼作站用變壓器，則接地變壓器兼站用變壓器容量為單獨設置的站用變和單獨設置的接地變壓器容量之和，為945 kVA，可以選擇標準系列容量1 000 kVA變壓器。接地變壓器兼站用變壓器的阻抗宜選用標準阻抗系列，高壓側短路電流控制在40 kA以內，低壓側短路電流控制在50 kA以內。接地變壓器兼作站用變壓器的做法目前在工程實踐中已相當普遍。以上分析計算為其提供了堅實的理論支撐，在確保滿足使用功能要求的同時，有效提升了工程的經濟效益。

結語

本文聚焦于光伏發電站電氣設計的關鍵環節，深入分析了低壓交流電纜的截面選型、敷設方式及電壓降校驗，明確了電纜導體材質的選擇依據、絕緣水平與接地型式的匹配要求，以及載流量校正和電壓降校驗的重要性。同時，對光伏區接地設計進行了詳細探討，包括接地電阻的嚴格要求、接地極的截面選擇與防腐蝕措施以及接地網布置對安全性和可靠性的影響。此外，本文還闡述了預裝式變電站就地升壓變壓器容量及相關電氣元器件型號的選擇要點，以及接地變壓器壓器兼做站用變壓器容量計算的合理性與經濟性。通過對這些內容的系統分析，本文為電氣設計人員提供了科學依據和技術支持，助力其根據項目特點和要求，設計出經濟合理且可靠的電氣系統。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國建設部.電力工程電纜設計規范：GB 50217—2007[S].北京：中國計劃出版社，2007.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.光伏發電站設計規范：GB 50797—2012[S].北京：中國計劃出版社，2012.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.交流電氣裝置的接地設計規范：GB/T 50065—2011[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[4] 中國電力工程顧問集團有限公司，中國能源建設集團規劃設計有限公司.電力工程設計手冊：變電站設計[M].北京：中國電力出版社，2019.

[5] 國家能源局.導體和電器選擇設計規程：DL/T 5222—2021[S].北京：中國計劃出版社，2021.