智慧能源站的接地系统优化设计

李 凡，谢 彬，徐婷婷，孔 林，刘光华

(中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南 长沙 410007)

0 引言

随着电力信息化、新能源发电、储能技术的进一步发展，传统意义的变电站开始向智慧能源站转变，国内开始建设首批智慧能源站。智慧能源站是集变电站、数据中心站、储能站、分布式光伏等部分的综合能源体。

长期以来高压电力系统和信息通信系统水火不容，电力系统对信息通信系统的危险影响非常严重[1]。变电站发生接地短路时，故障电流可达数千安培，地电位升高会造成通信系统的损毁。因此，为维护设备安全可靠运行、保障运行人员和设备安全，需设置智慧能源站接地系统。但是，目前并未有针对智慧能源站制定相关的接地标准，且智慧能源站的设计及运行经验不足，因此，有必要对智慧能源站接地系统予以研究。

1 主接地网型式的选择

以往工程中，为避免入地故障电流产生的地电位升及地电位差对信息通信设备造成破坏、威胁人身安全，高压输变电系统和信息通信系统采用的主要技术措施是两者相互远离[2-4]。但是对于智慧能源站，作为一个有机能源综合体，变电站和数据中心站采用合建方式。因此，变电站、数据中心站、储能站、光伏等各部分的地网采用紧密合建，还是相互独立，本节通过CDEGS软件仿真进行验证[5]。

为使接地系统具备工程实际意义，本文基于湖南某智慧能源站开展相关研究。该智慧能源站包括变电站、数据中心、储能站、分布式光伏(布置在建筑物屋顶)四个部分，围墙长宽为154 m×82 m，如图1所示。变电站位于丘陵地区，现场实测土壤电阻率后，通过CDEGS软件反演出土壤电性分层模型，如表1 所示，水平三层结构，土壤电阻率较高。本站在考虑分流系数后，变电站的入地故障电流为10.98 kA。

图1 湖南某智慧能源站平面布置示意图

表1 智慧能源站土壤电阻率

为使故障电流能够向大地有效散流，智慧能源站设计了三种型式的主接地网：各部分独立地网、独立地网之间通过单根导体互联和整体地网。利用CDEGS软件进行仿真计算[5]，各地网型式的地电位升分布如图2～图4所示。

图2 各部分独立地网地电位升三维分布图

图3 单根导体互联的接地网电位升三维分布图

图4 整体接地网地电位升三维分布图

从图2中可以发现，在每个独立地网内部，地电位升的分布是非常均匀的，只有在独立地网之间的“空地”上，会发生较大的地电位升降低。各部分地网相互独立时，在相同故障下变电站接地网上的地电位升远高于其他部分，从而导致了二者之间产生较大的电位差。地网之间采用单导体互联时，临近区域的地网地电位升会抬升，变电站地网与其它部分地网之间电位差减小，变电站的地网地电位升较相互独立地网时减少35.5%。当各部分地网互联时，各部分地网的地电位升差异变小，随着不同地网之间的联络导体数量增多，并最终形成一张大地网时，整个区域内的地电位升应基本趋于一致，地网的地电位升差值仅为6.9 V。

因此，各地网相互紧密连接时，各地网之间将获得良好的均压效果，可保证人身和设备安全。故本站考虑建立共用的整体主接地网，各部分均通过此地网接地。

2 智慧能源站接地要求的确定

由于变电站、数据中心站、储能站、光伏采用整体主接地网，但是各部分对于主接地网的要求各不相同，详见下列规范：

1)根据GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》中4.2.1条规定：一般情况下，R≤2 000/I。在符合本规程4.3.3条的规定时，接地网地电位升还可以进一步提高至5 kV；必要时，经专门计算，且采取的措施可确保人身和设备安全可靠时，接地网地电位升还可以进一步提高。

2)根据GB50174—2017 《数据中心设计规范》8.4.2 条规定：保护性接地和功能性接地宜共用一组接地装置，其接地电阻应按其中最小值确定。但该规范并未给出相应的具体要求值和计算公式。

3)根据GB/T 51048—2014《电化学储能电站设计规范》6.6.3条规定：接地设计，应敷设现行国家标准《交流电气装置的接地设计规范》GB/T 50065 的规定。

4)根据GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》8.8.4条规定：光伏方阵接地应连续、可靠，接地电阻不大于4欧姆。

综合智慧能源站各部分的规范接地要求，当电缆长度不超过接地网边长的一半时，在最严酷的条件下，芯—屏蔽层电位差小于40%，甚至更小。因此采用二次电缆屏蔽层双端接地，可以将地电位升高放宽到2 kV/(40%)=5 kV，但作用在二次电缆芯—屏蔽层之间和二次设备上的电位差只有2 kV，满足了二次系统安全的要求。故智慧能源站的接地电阻应满足跨步电位差、接触电位差、5 000/I的地电位升要求，且不应大于4Ω。

根据GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》提供的校验公式，跨步电位差限值的计算公式为：

接触电位差限值的计算公式为：

式中：ρs为地表层的电阻率；Cs为表层衰减系数；ts为接地故障电流持续时间。

3 接地系统的优化设计及仿真计算

本站首先采用常规水平接地网和垂直接地极组成的复合接地网，主地网水平接地体采用40×4 mm的扁铜，垂直接地体采用2.5 m长的D20 mm铜棒。经仿真计算，最大地电位升为54 186.7 V，接触电位差和跨步电位差均不满足限值要求。一般智慧能源站的占地较小，一旦土壤电阻率较高，普通的主接地网方案无法满足接地电阻的要求。为此，可以根据站址的地质和水文条件，在地网横向占地面积和纵向跨越深度方面考虑，采用多种降阻措施共用的方法进行降阻，建立复合立体主接地网,如图5所示。

图5 复合立体主接地网软件建模

通过采用连接至自然接地体、扩大地网、深井接地等降阻措施，经软件仿真计算,计算结果如表2所示。采用复合立体接地系统后的接地电阻为0.425Ω，最大接触电位差507.958 V，最大跨步电位差195.996 V，均满足最大限值要求，全站的接地系统各项技术指标优化效果显著。

表2 接地系统的优化设计仿真计算结果

4 结论

智慧能源站接地系统是维护设备安全可靠运行、保障运行人员和设备安全的根本保证和重要措施。经分析不同型式主接地网的地电位升后，采用共用整体主接地网的均压效果最好。在分析各部分对于接地网的要求后，智慧能源站接地电阻应满足跨步电位差、接触电位差、5 000/I的要求，且不应大于4Ω。由于采用常规水平接地网和垂直接地极组成的复合接地网无法满足接地电阻要求，因此在地网横向占地面积和纵向跨越深度方面考虑，采用多种降阻措施共用的方法进行降阻，建立复合立体主接地网。