光伏电站复合接地体电阻稳定性及适应性研究

朱青云，韩宏伟

(1.青海省产品质量监督检验所， 西宁 810008； 2.青海可再生能源研究所， 西宁 810003)

青藏高原地区因土壤结构复杂，电阻率普遍较高，接地电阻难以达到国家有关规范，大大增加了接地系统工程难度。随着青海光伏电站发电功率及系统容量的日趋增大，接地网电阻稳定性和腐蚀成为目前光伏电站最为突出的问题之一[1-2]。因此，基于光伏电站存在接地网电阻过大导致电流突增、运行环境恶劣等问题，合理地选择接地防腐降阻材料和设计复合组网接地体是电站稳定、安全运行的关键[3]。关于接地系统建设方面，国外研究起步较早，在试验方法、软件开发和计算方法等方面均开展了大量研究，但其在国内的适用性方面存在局限性[1-4]。国内也已有接地体材料、类型，接地电阻测量方法和影响因素的相关研究[5-8]。刘保纲等[9-10]研究分析了异质土壤对接地网接地电阻的影响；蓝信军等国内诸多学者对接地降阻材料的应用效果进行了相关分析与评价[10-12]。龚梅竹等[13-14]针对常用接地极在高原砂砾层的特性及适用性进行研究。李丽佳等[15-16]分析和研究了离子棒、垂直接地极、斜接地极和深水井接地极的降阻机理与特性，对变电站接地降阻优化选型技术提供理论及实践依据。吴运策等[17]发现不同的接地材料结合使用，既能降低材料使用量，又能提高运行稳定性。关于接地降阻方法已有很多研究，但是针对青藏高原特殊环境下光伏电站接地体电阻稳定性及适应性分析的相关研究较少。本文通过对青藏高原地区共和县光伏电站不同接地体电阻进行实测，分析了高寒、高海拔地区温、湿度及土层结构对接地体电阻的影响，重点讨论了复合组网接地体的接地效果，提出了复合组网接地体在该地区的降阻方案，为接地系统降阻和稳定性等设计提供实践和理论依据。

1 实验工况

1.1 实验工况

本研究选取青海省海南州共和县塔拉滩光伏产业园区某新能源公司共和光伏电站一期(测量场地A)和二期(测量场地B)建立实验基地，通过埋设常用6种光伏电站接地极并定期测试接地电阻值。试验场区位于青藏高原地区共和县恰卜恰镇，其气候及环境特点大致为：海拔约2 920 m；季节性冻土，最大冻土深度为1.40 m，具有砂砾层结构土壤特征的光伏电站A和B。其中，两场地土层结构及电阻率如表1所示。

表1 场地土层结构及电阻率

1.2 接地体

本实验检测了6种不同类型单体接地体的接地电阻，分别为：铜包钢接地极、离子接地极、石墨接地模块、镀锌角钢、镀锌圆钢、SZJ接地体。所用的接地材料的规格情况为：铜包钢接地极Tom-2025，接地模块ZGD-1，离子接地极Φ30×1 500，镀锌扁4×40，钢镀锌角钢50×50×5，镀锌圆钢Φ10Φ16，SZJ钢制接地体为Φ600×1 000。具体的物理特性如表2所示。

表1 接地体及相关特性

1.3 设备及检测方法

实验仪器：成都华衡的DS1923型纽扣式温湿度记录仪；英国Megger的DET2/2型接地阻抗测试仪；意大利HT的HTGE0416接地电阻检测仪。

接地网布置：在A、B场区分别设置6个试验接地网并采用双排呈一字型分布，网间距为5 m。每个接地网的4个接地体采用矩形布置且首尾相连成闭合成环。各接地网垂直接地体采用钻孔和挖坑等方式埋设。水平接地体之间及水平接地体与垂直之间连接方式符合《建筑物防雷设计规范》GB50057—2010[18]及《国家建筑标准设计图集》[19]相关要求。接地网连接通过焊接及相关专用连接材料等连接方式，并对相关部位进行防腐处理。接地网测试点根据具体安装情况安排在试验场地一端，并在地面预留30 cm测试接线端子。在接地网安装时，水平接地沟深度不小于2.0 m，沟顶宽0.8 m，沟底宽度0.8 m。接地沟应保证沟底水平，并清除沟底杂物和直径大于10 cm的石块。接地体安装完成后应及时回填，并分层夯实。

为了减少实验误差，采用同一场区两组数据的算数平均值作为该场地的温、湿度值，采用每测试日10∶50—11∶40时间段内接地电阻的一组数据。

2 实验接地体电阻测量

本实验采用垂直接地极，依据GB/T50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》[20]，垂直接地理论电阻计算公式如下：

(1)

式中：R、d及l分别为土壤电阻率(Ω·m)，接地体直径(m)和垂直接地极入地长度(m)。

双层土壤中地网接地电阻近似计算公式为[21]

(2)

式中，S，ρd=ρ1+(ρ2-ρ1)K分别为地网面积(m2)和等值土壤电阻率(Ω·m)，其中ρ1，ρ2和K=0.6分别指上、下层土壤电阻率(Ω·m)和相关系数[17]。

于是，将式(2)代入式(1)，最终得出垂直接地理论电阻为

(3)

假设测量装置回路的总电阻为Rt，即

Rt=Rg+Rv

(4)

式中：Rg为接地极电阻；Rv为垂直接地土壤电阻。

根据相关分析，接地网电阻测量设计时考虑的主要因素有：接地网的面积，接地网的埋深，接地网的形状，接地体半径和土壤等。本文中通过实际测量总电阻数据，最终计算得出如下接地体电阻相关数据。

3 实验结果及讨论

3.1 温、湿度对接地体电阻的影响

2018年8月到2019年9月期间，测试场地A、B的温、湿度变化趋势如图1所示。

图1 测量场地A，B的温、湿度变化曲线

测量结果表明：测试场地A、B测试时间段的最高温度均出现在8月中旬，分别为 17.3 ℃和19.3 ℃，相差2.0 ℃；最低值均出现在1 月中旬，分别为-1.80 ℃和-3.0 ℃，相差1.2 ℃；且温度随时间变化较为明显，A、B场地温度最大差值分别为19.1 ℃和22.3 ℃。A、B场地的土壤湿度随着时间变化较小，但水分含量均较高，且测试场地A湿度略大于测试场地B，这主要与测试场地的土层结构有关，测试场地A土壤主要为沙砾土，而测试场地B土壤为沙砾土间杂有较多鹅卵石，土质相对较为细密的场地A比场地B更易保持水分。

图2、3分别显示了测量场地A和测量场地B中温、湿度对接地体电阻的影响。根据图2、3可知：同一接地体在不同温、湿度环境下电阻变化明显存在差异，其中温度变化与湿度变化对接地体电阻变化的影响也存在明显区别，温度与接地电阻值之间呈弱负相关，湿度与接地电阻呈弱正相关。

图2 测量场地A接地体电阻随温度和湿度的变化曲线

图3 测量场地B接地体电阻随温度和湿度的变化曲线

3.2 接地体类型对接地电阻的影响

图4反映了测量场地A和B中6种不同类型单体接地体的接地电阻测量值的变化趋势。图4结果表明：测量场地A中，不同类型接地体的接地电阻大小为： SZJ接地装置>铜包钢接地极>离子接地极>角钢接地极>圆钢接地极>石墨接地模块。测量场地B中，不同类型接地体的接地电阻大小为：SZJ接地装置>离子接地极>铜包钢接地极>角钢接地极>圆钢接地极>石墨接地模块。各个类型接地体电阻最大值均出现于1月份，且接地电阻变化存在较大差异，SZJ接地装置的变化较为明显。因此，单体接地体类型对接地电阻具有较大的影响。

图4 不同类型接地体的接地电阻曲线

3.3 单体接地体接地效果分析

图5给出了测量场地A、B单体接地体接地电阻的季度变化及年平均值情况。由图5可知：单体接地体冬季时其电阻值较大，其次分别是春季、秋季和夏季，也即夏季电阻值偏小。图5也反映出，对于不同类型接地体中，SZJ接地体在测量场地A的接地电阻明显小于场地B，其余接地体在场地A的接地电阻明显大于场地B对应值。因此，对于同一类型接地体，接地体的接地电阻受场地的影响较为明显。该测量结果进一步反映了单体接地体接地电阻不仅受到温湿度的影响，还受到土壤结构的明显影响。

图5 测量场地A、B单体接地体季度及年度电阻变化曲线

3.4 组合接地体接地效果分析

图6给出了测量场地A、B两组网接地体电阻季度变化及年平均值情况。从图6结果看出：两种不同类型接地体的组合接地体电阻值波动明显，但随季节变化波动趋势基本一致。其中，离子接地体与SZJ接地装置组网接地和角钢与SZJ接地装置组网接地其电阻值波动较大。相比单体接地体电阻，两网接地体电阻值较低。

图6 两网组合接地体电阻值及电阻值随季度变化曲线

图7给出了测量场地A、B四组网接地体电阻季度变化及年平均值情况。A场地季节电阻变化较为明显，且圆钢+铜钢+角钢+接地模块组网接地体其电阻值相对较小。通过图6和图7电阻结果对比分析发现：随着接地体组网组数的增加，其接地体电阻值逐渐减小，且年度电阻值季节变化趋于稳定。这个结论符合物理中导体接触面增大，电阻值变小的理论。

图7 4网组合接地体电阻值及电阻值随季度变化曲线

图8反映了测量场地A和B中，2网、4网及5网组合接地电阻的变化情况。结果表明：组网数量的增加能够降低接地平均电阻值。对于组网接地体来说，测量场地B电阻值明显低于测量场地A，与单体接地电阻趋势一致。根据以上实验结果，从接地电阻的稳定性、接地体的实用性和经济性角度出发，针对青藏高原地区，选用圆钢+铜钢+角钢+接地模块的组网接地体更为合适。

图8 组合接地体电阻变化直方图

4 结论

1) 环境温、湿度，接地土壤结构对接地体电阻具有一定的影响，温度与接地电阻值呈弱负相关，而湿度与接地电阻值之间呈弱正相关。

2) 接地体年度电阻平均值及其稳定性受季节效应影响明显。

3) 在青藏高原地区的特殊环境下，光伏复合组网接地体的设计显著降低接地体年度平均电阻值，并能够提高接地体电阻总体稳定性，故推荐在该地区使用圆钢+铜钢+角钢+接地模块的组网接地体。

4) 该地区光伏电站测量接地电阻应在1月份进行，此时满足接地要求，能保证全年其他时间接地满足要求。