利用CDEGS对高土壤电阻率地面光伏电站接地网的研究

王超柱

摘 要：对于高土壤电阻率地区的地面光伏电站的接地网设计，因现行规范不能对多层土壤计算，计算结果一般较为保守。利用专业的接地计算软件CDEGS可以建立精确的多层土壤模型，优化设计方案。本文利用CDEGS对某高土壤电阻率光伏电站接地网的原设计方案进行了优化，并与工程竣工后的接地网测试值进行了比较，得出经CDEGS优化后的方案不仅可以降低造价，计算值也与实际测试值十分接近。

关键词：高土壤电阻率；CDEGS；光伏电站；接地网设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.127

0 引言

目前，许多大型光伏电站建设在戈壁地区，其特点是地表土壤电阻率非常高，地表以下土壤电阻率下降较快。现行国家标准GB50065‐2011《交流电气装置的接地设计规范》中，对于复合接地网，只能按照均匀土壤来进行计算， 计算结果较为保守。设计人员为了达到接地电阻要求，尽可能多敷设水平接地网和垂直接地极。一般但工程竣工后，经实测电阻值都远小于设计值，由此造成电站投资的浪费。

本文利用接地计算软件CDEGS对某光伏电站接地网设计进行改进，对多层土壤建模、接地极数量优化及动态仿真，得到最优的设计方案， 竣工后的实测值与设计值十分接近。

1 光伏电站接地特点及CDEGS软件简介

1.1 接地电阻

光伏发电站一般分为发电区和升压站区，现行规范要求发电区接地电阻应小于4Ω，升压站区接地电阻小于1Ω。

1.2 接地网

发电站区主要是复合接地网。由于占地面积较大，根据规范公式R= 0.5ρ/S，接地电阻一般很容易满足应小于4Ω的要求。而升压站区域，在高土壤电阻率的情况下，若采用普通的复合接地网，将很难满足小于1Ω的要求，一般可采用深埋接地极并采用降阻剂处理、外延接地网等方式。

1.3 CDEGS软件包介绍

CDEGS是加拿大SES公司推出的专业电站接地和土壤结构分析软件包。其能够模拟任意层、任意形状的土壤，并具有接地系统设计分析、计算地表电位分布等功能。目前，光伏电站的接地网设计主要是基于经验公式，存在着设计的盲目性和随机性，如果接地电阻测试不合格后，再进行设计变更，很大程度上影响整个工程建设进度。CEDGS软件的出现为电气工程技术人员高效地设计安全的接地网提高了可靠的技术保证。

2 某光伏发电站接地网模拟及特性研究

2.1 现场概述

A、发电区域占地面积为327亩，等效为450mx490m；开闭所区域占地面积为16亩，等效为100mx100m；

B、35kV母线采用单母线分段，每段各通过1台接地变和消弧线圈接地，每台消弧线圈容量为800kVA。

C、季节性冻土层深度为2.5m。

D、发电站区接地电阻要求不大于4Ω，35kV开闭所接地电阻要求不大于4Ω。

E、据现场踏勘，电阻率测试，现场土层电阻率测值详见表1。

2.2 原设计方案

水平接地极采用60×6镀锌扁钢16000m， 垂直接地极采用63x6镀锌角钢（2.5m长）234根，埋设深度为2.5m。

开闭所区域采用水平接地极与深井接地极相结合，水平接地极采用60×6镀锌扁钢2000m，垂直接地极采用10根3x6镀锌角钢（2.5m长），埋设深度为20m。

2.3 利用CDEGS对发电站区的接地网进行优化设计

根据相关数据，计算得到入地短路电流为313.2A，依据简易公式R= 0.5ρ/S，计算得到接地电阻为12.3Ω，最大接触电压为803.5V，最大跨步电压差为91.5V。规范规定的最大接地电阻为4Ω，最大接触电压为695.2V，最大跨步电压为2630.8V，由此看出，除了跨步电压符合要求外，其余2项均不符合规范要求。

首先利用CDEGS构建土壤结构模型，为5层平均土壤，空气层和最底层为无穷大厚度。

优化后的方案与原方案对比如表2。

可以看出，利用CEDGS优化后，接地电阻和跨步电压都有极大地降低，另外，接地极材料的数量也大幅下降。

2.4 利用CDEGS对开闭所区域的接地网进行优化设计

依据简易公式R= 0.5ρ/S，水平复合接地网的接地电阻为62.6Ω， 根据接地规范要求，由安全接触电压、跨步电压反推计算接地电阻允许值为8.57Ω，因此必须采取措施降低接地电阻。设计采用在开闭所周围设置6个接地深井，深度为20m， 接地深井内埋设60x6x2500mm的角钢， 接地极处加降阻剂并采用黄土回填。

根据项目地勘报告，地下水位埋深约15m，电阻率为60Ω.m

根据公式

土壤电阻率（ρ） = 60 （Ω.m）

垂直接地體长度（l） = 2.5 （m）

接地极的埋设深度（t） = 20 （m）

角钢接地极的宽（b） = 0.06 （m）

角钢接地极的厚（h） = 0.06 （m）

计算得到，6根垂直接地体的接地电阻Rt = 2.95（Ω）

水平接地体的接地电阻Rs = 62.6（Ω）

根据IEEE Std 80-2000的计算公式：

得到开闭所区域的复合接地电阻为2.36Ω

利用CDEGS优化后的方案与原方案对比如下：

可以看出，运用CEDGS仿真分析得到的结果和采用经验值的结果相近。

3 结论

由以上可知，根据经验公式计算的接地电阻值都偏保守，设计人员一般偏向于尽可能多的敷设接地极数量保证达到设计要求。CDEGS软件可以对多层土壤进行精确地仿真分析，经优化后的接地电阻、接触电压和跨步电压都有显著的降低，并且优化方案可以使得工程投资大幅降低。

参考文献：

[1]郭振威等.CDEGS在复杂大型接地网优化设计中的应用研究[J].湖南电力，2010（02）.

[2]孙燕.光伏电场区域防雷接地研究[J]华东电力，2012（12）.

[3]GB/T 50065-2011.交流电气装置的接地设计规范[S].

[4]IEEE Std 80-2000.交流变电站接地安全指南[S].endprint