塔式太阳能热发电项目中定日镜场的低压供电接地系统的分析

张 莹，陆 浩，冯永刚，白雪松

(内蒙古电力勘测设计院有限责任公司，呼和浩特 010010)

0 引言

近年来，随着全球气候变暖问题日益严重，各国对生态环境的保护也更为重视。在能源应用领域，有效利用可再生能源是应对生态问题的重要途径之一。太阳能发电是可再生能源利用形式的一种，其中对于太阳能热发电的高效利用已成为现阶段能源转型的重要课题。根据“十三五”规划的部署，国家将继续大力支持太阳能热发电技术的发展，建设太阳能热发电示范项目，这将使太阳能热发电的形式日益完善，相关技术发展也将日新月异[1]。

在太阳能热发电技术中，塔式太阳能热发电技术是利用大规模自动跟踪太阳的定日镜场将太阳光反射集中到高塔顶部的接收器上，接收器将吸收的太阳能转化成热能，再将热能传给工质，经过蓄热环节后再输入到热动力机，热动力机膨胀做功，带动发电机发电。该发电方式是未来太阳能热发电的主要技术[2]。在塔式太阳能热发电项目的定日镜场区域，由于低压用电负荷较为分散，并且定日镜场的低压用电负荷通常与常规岛内的低压配电装置之间的距离较远，因此，对于塔式太阳能热发电项目中定日镜场区域的低压用电负荷到底采用哪一种低压供电接地系统更为安全、可靠、经济这个问题，目前还无明确的答案。

根据接地形式不同，低压供电接地系统可以分为TN低压供电接地系统(其中包括TN-S低压供电接地系统)、TT低压供电接地系统和IT低压供电接地系统。本文将结合境外某在建的塔式太阳能热发电项目，从安全性、可靠性和经济性的角度出发，针对该项目中定日镜场的低压供电接地系统的接地形式进行探讨分析，并对比分析塔式太阳能热发电项目的定日镜场低压供电接地系统分别采用TT低压供电接地系统和TN-S低压供电接地系统时的应用特点。

1 某在建塔式太阳能热发电项目的概况

本文以境外某在建的塔式太阳能热发电项目(下文称为“D项目”)为例进行分析。D项目中，定日镜场的低压用电负荷由常规岛引来的400/230 V低压厂用电作为电源。由常规岛引至定日镜场的电源共21个回路，低压用电负荷在0.45～5.72 kW之间；定日镜场低压用电负荷距离常规岛内的低压配电装置较远，每个供电回路的距离均在200～1400 m之间。

2 低压供电接地系统方案分析

为低压供电接地系统选择合理的接地形式，对于保障人身安全、设备安全，以及保障电力系统的正常运行至关重要。低压供电接地系统的设计应符合国家现行标准GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》的有关规定。

在塔式太阳能热发电项目的定日镜场设计中，选择合理的低压供电接地系统，既能实现项目的安全性和可靠性，又能节约低压供电电缆的用量[3]。

针对D项目的低压供电接地系统，本文提出了2种方案，一种是采用光伏电站及太阳能热发电站常用的TN-S低压供电接地系统，另一种是采用TT低压供电接地系统。下文对2种低压供接地系统方案的优、缺点进行对比论证。

2.1 TN-S低压供电接地系统方案

TN-S低压供电接地系统在电源处应有1处直接接地，电气装置的外露可导电部分通过保护导体(即PE线)接到接地点。D项目不单独配置中性导体(即N线)，则此项目采用TN-S低压供电接地系统方案时，TN-S低压供电接地系统的接地示意图如图1所示。图中：L1、L2、L3均为相线。

图1 TN-S低压供电接地系统的接地示意图Fig. 1 Schematic diagram of grounding of TN-S low-voltage power supply grounding system

若在定日镜场采用TN-S低压供电接地系统，则是通过PE线将常规岛低压配电装置的接地系统与定日镜场的低压供电接地系统连接在一起，但在这种情况下，如果定日镜场或常规岛任意一处发生接地故障，那么通过PE线的连接会使故障电流在定日镜场低压供电接地系统与常规岛低压配电装置接地系统中相互传导。

TN-S低压供电接地系统的优点是：若定日镜场的电气装置端发生故障，则故障电流将通过PE线流回至常规岛电源点，不会在定日镜场的电气装置端出现过高的对地电压，触电危险大幅减小。

2.2 TT低压供电接地系统方案

TT低压供电接地系统中只有1处直接接地，定日镜场内的电气装置的外露可导电部分应接到与常规岛分离的定日镜场接地网上。由于D项目不单独配置N线，则此项目采用TT低压供电接地系统方案时，TT低压供电接地系统的接地示意图如图2所示。

图2 TT低压供电接地系统的接地示意图Fig. 2 Schematic diagram of grounding of TT low-voltage power supply grounding system

如果在定日镜场采用TT低压供电接地系统，则定日镜场低压供电接地系统与常规岛低压配电装置接地系统将无直接联系，定日镜场电气装置可在定日镜场内可靠接地；当定日镜场或常规岛内发生接地故障时，故障电流不会像采用TN-S低压供电接地系统时那样沿着PE线传导。

TT低压供电接地系统发生接地故障短路时的示意图如图3所示。图中：Id为故障电流；RA为电源处的接地系统的接地电阻值；RB为定日镜场区域的接地系统的接地电阻值。

图3 TT低压供电接地系统发生接地故障短路时的示意图Fig.3 Schematic diagram of TT low-voltage power supply grounding system in case of ground fault short circuit

采用TT低压供电接地系统时，定日镜场内电气装置的外壳应直接与大地连接，当定日镜场内电气装置发生接地故障短路时，故障电流的回路是“电气装置外壳—大地—变压器中性点—电网”。由于TT低压供电接地系统回路中有较大的接地电阻(大地)，因此当定日镜场内电气装置发生接地故障短路时，很难使线路上的保护装置动作。下文对此情况进行具体分析。

当定日镜场内电气装置发生接地故障短路时，会导致图3中的RB和RA这2个电阻形成故障回路。

Id可表示为：

式中：Ux为定日镜场内电气装置发生接地故障短路时其外壳的电位升，本文取400 V。

根据本项目的实际情况，RB=RA=4 Ω(行业内要求保护接地电阻不大于4 Ω)，则Id=50 A。50 A的故障电流不足以使保护装置动作，若定日镜场电气装置发生接地故障短路，电气装置外壳上的危险电压会长期存在，触电危险不能消除。

故障点对地电压Ud可表示为：

代入数值可知，Ud=200 V。

根据经验值，人体的电阻Rr=800 Ω。电气装置发生接地故障短路时，人若触摸电气装置外壳，此时通过人体的电流Ir可表示为：

代入数值可知，Ir=250 mA。

250 mA的电流经过人体会造成致命的伤害。因此，若采用TT低压供电接地系统，则必须增加漏电保护器来保护人身安全。

当采用漏电保护器时，Ia为漏电保护器的剩余电流的动作电流。根据GB/T 50065-2011[8]中的规定：TT低压供电接地系统的接地电阻与电气装置外露可导电部分的保护导体电阻之和R应符合

经计算可知，至少应增设剩余电流为50 mA的漏电保护器以保证人身安全。

采用TT低压供电接地系统的优点是：当常规岛220 kV系统发生接地故障产生较大的故障电流时，故障电流不会像采用TN-S低压供电接地系统时沿着PE线直接流向定日镜场，因此不会对定日镜场内的电气装置造成冲击。

2.3 低压供电接地系统的设计现状分析

通过对近年来已建成的塔式太阳能热发电项目进行分析发现：国内塔式太阳能热发电项目中定日镜场的低压供电接地系统大多采用TN-S低压供电接地系统，即在定日镜场的电气装置与常规岛低压配电装置之间的供电电缆中，除相线之外，另配置1芯电缆作为PE线；而国外的部分塔式太阳能热发电项目，比如已投运的Ashalim塔式太阳能热发电站，其定日镜场的低压供电接地系统则采用了TT低压供电接地系统。

2.4 项目的经济性比较

在定日镜场内电气装置选型上，TN-S低压供电接地系统方案与TT低压供电接地系统方案的差别主要在于：

1) TN-S低压供电接地系统中，定日镜场供电箱进线电缆采用3芯电缆，而TT低压供电接地系统则采用2芯电缆(无PE线)；

2) TT低压供电接地系统需加装漏电保护器。

对2种低压供电接地系统在D项目中具体应用时的经济性进行对比，可得到采用不同低压供电接地系统时的电缆选型差价对比表，具体如表1所示。

表1 采用不同低压供电接地系统时的电缆选型差价对比表Table 1 Comparison of price difference of cable selection when different low-voltage power supply grounding systems are adopted

另外，通过与设备制造厂家询价发现，在断路器中加装1台漏电保护器需要增加的费用约为230元。D项目的定日镜场供电箱共有21个，采用TT低压供电接地系统时均需加装漏电保护器，由此增加的投资约为4830元。

综合上述分析可以看出，由于主要电气装置选型的差别，总体来看，与TN-S低压供电接地系统相比，TT低压供电接地系统的成本有大幅降低。

由于塔式太阳能热发电项目中定日镜场的低压用电负荷与常规岛低压配电装置之间的距离一般较远，定日镜场的低压用电负荷的分布也较为分散，因此推荐采用TT低压供电接地系统作为该类项目的低压供电接地系统。

3 结论

本文以境外某在建的塔式太阳能热发电项目为例，从安全性、可靠性和经济性的角度出发，对塔式太阳能热发电项目中定日镜场的低压供电接地系统的选择进行了对比分析，得到以下结论：

1) TN-S低压供电接地系统在国内的应用广泛，安全性较高；但是该接地系统是通过PE线将常规岛的低压配电装置接地系统与定日镜场的低压供电接地系统连接在一起，故障电流会通过PE线在定日镜场低压供电接地系统与常规岛低压配电装置接地系统中相互传导。

2) 采用TT低压供电接地系统时，定日镜场的低压供电接地系统与常规岛的低压配电装置接地系统不直接联系，能够将接地故障控制在短路电流回路中；但是采用TT低压供电接地系统必须加装漏电保护器来确保人身安全。

3) 由于采用的主要电气装置选型不同，相较于TN-S低压供电接地系统，TT低压供电接地系统的工程成本更低。

综上所述可知，由于TT低压供电接地系统和TN-S低压供电接地系统的特点不同，因此所适用的场合也不相同。由于塔式太阳能热发电项目中定日镜场区域的低压用电负荷与常规岛低压配电装置之间的距离一般较远，且定日镜场的低压用电负荷分布也较为分散，因此推荐使用TT低压供电接地系统作为该类项目的低压供电接地系统。