淺析一種新型水上光伏電站防雷接地方法

廣東省電力開發(fā)有限公司 ■ 華林青

0 引言

我國水上光伏電站的發(fā)展與日本、美國等國家相比起步較晚，但自從我國于2015年正式啟動“領(lǐng)跑者”計劃以來，光伏發(fā)電發(fā)展迅速，尤其是近年來，水上光伏電站由于發(fā)電效率高，對耕地、林地、草地等土地的占用較少，已逐漸得到廣大光伏發(fā)電投資者的認(rèn)可與青睞，并在華中、華北等地相繼出現(xiàn)了多種形式的水上光伏電站，發(fā)展十分迅速。

由于水上環(huán)境復(fù)雜，水上光伏電站在建設(shè)過程中會面臨諸多問題，而這些問題的解決在一定程度上加劇了施工成本，并易導(dǎo)致工期延長。比如，按照傳統(tǒng)方法，水上光伏電站的接地系統(tǒng)需增加接地極，以達(dá)到防雷的效果。但這無疑大幅增加了施工成本，同時由于水深深度的原因，施工難度也大幅增加[1]。

針對這一問題，筆者通過對管樁、支架及電氣設(shè)備等進(jìn)行研究分析，提出水上光伏電站可以利用管樁來實現(xiàn)防雷接地的方法，并以100 MW廣東粵電陽江鹽場雙魚鹽光互補(bǔ)項目為例，分別從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性兩方面對此方法進(jìn)行分析論證。

1 技術(shù)性論證

1.1 管樁的分類及制作過程

當(dāng)前，國內(nèi)水上光伏電站使用的管樁主要是預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土(PHC)管樁，其設(shè)計要求混凝土的強(qiáng)度等級大于C80。PHC管樁使用較多的類型是PHC300，此種管樁的外徑為300 mm、壁厚為70 mm。按照抗彎性能或有效預(yù)壓應(yīng)力，PHC管樁可分為A型、AB型、B型和C型4類。

PHC管樁的制作過程包括鋼筋裁切、鐓頭、鋼筋籠滾焊等流程。當(dāng)鋼筋籠制作完成后，使用專業(yè)吊車將其放入模型內(nèi)；鋼筋籠兩端都配有螺帽。當(dāng)鋼筋籠進(jìn)入模型后，使用鋼膜上環(huán)形鋼板螺栓與鋼筋籠的螺帽擰緊；然后通過混凝土澆筑模型，使鋼筋籠和混凝土形成一個整體，最后制成管樁[2]。PHC管樁施工現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 PHC管樁施工現(xiàn)場

1.2 新方案設(shè)想

通過對PHC管樁的制作過程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，可將PHC管樁中的鋼筋籠看作一個垂直接地極。于是根據(jù)這個結(jié)構(gòu)有了以下設(shè)想：光伏支架是由多根管樁支撐起來的，只要將管樁樁頭板的鋼筋與光伏支架進(jìn)行焊接，使整個鋼筋籠的管樁與光伏支架連接在一起，然后通過鍍鋅扁鐵將每個矩陣的光伏支架連成一個整體，就形成了一個完整的接地網(wǎng)，此種方法也符合共體接地原則[3]。

此種設(shè)想下，光伏支架與PHC管樁的布置如圖2所示。

圖2 光伏支架與PHC管樁布置圖

從圖2中可以看出，7根PHC管樁組成了一個矩陣，光伏支架系統(tǒng)包括支座、夾具、聯(lián)接件、導(dǎo)軌等，整體都是鍍鋅鋼結(jié)構(gòu)，只需將支架與PHC管樁焊接成一個整體，就能形成一個小型的接地網(wǎng)；將每個小型接地網(wǎng)通過鍍鋅扁鐵焊接在一起，就形成了一個大型的水上接地網(wǎng)。

1.3 接地極設(shè)計要求驗證

針對上文接地網(wǎng)的設(shè)想，現(xiàn)以廣東粵電陽江鹽場雙魚鹽光互補(bǔ)項目為例，驗證垂直接地極的埋地深度和截面積是否滿足接地網(wǎng)的設(shè)計要求。

圖3 管樁接地圖

根據(jù)GB 50169-2016《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范》，陸地上垂直接地極的設(shè)計埋地深度不低于0.8 m，整個光伏區(qū)的接地電阻小于10 Ω。PHC管樁的鋼筋籠長度是根據(jù)水上光伏電站所在地的水深決定的，因此，水上光伏電站接地網(wǎng)的垂直接地極的長度比陸地的要長。本項目采用的是PHC300 AB型管樁，管樁的平均長度為11 m，管樁深入水底泥土中的深度是5 m，這相當(dāng)于鋼筋籠深入到水底泥土中的深度是5 m，這種深度已完全滿足埋地深度要求。

根據(jù)GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》中表4.3.4-1鋼接地材料最小尺寸的要求，圓鋼的最小直徑要求是地上為8 mm、地下為10 mm。因此，用于地下的圓鋼的截面積為3.14×(10/2)2=78.5 mm2；而 AB型PHC管樁的鋼筋是6×φ9.0 mm，其截面積為 6×3.14×(9/2)2=381.51 mm2，該值遠(yuǎn)大于 78.5 mm2。這說明管樁中鋼筋的截面積滿足了人工接地極的最低設(shè)計要求。

圖4 水上光伏電站選用的PHC管樁的長度

1.4 接地電阻驗證

根據(jù)行業(yè)規(guī)范DL/T 475-2017《接地裝置特性參數(shù)測量導(dǎo)則》，采用電流-電壓表三極法驗證本項目中接地電阻的可靠性。由于水面的廣闊性及光伏方陣的分散性，將整個光伏區(qū)按照箱變數(shù)量劃分為幾個小方陣，然后分別測量每個方陣的接地電阻，確保整個接地網(wǎng)的可靠性。按照三極法測量要求，電流極需要的測量長度為單個方陣的3～5倍。為了測量準(zhǔn)確，將接地測量線(長度為單個方陣對角線的3倍)拉到岸上進(jìn)行電流極測量，以此方式測出的接地電阻可以反映水上光伏電站和岸邊土壤接地電阻的情況，避免了水中導(dǎo)通后無法清楚對比的問題，試驗圖如圖5所示。

圖5 電流-電壓表三極法試驗

圖5中，紅色和黃色區(qū)域為不同的光伏方陣(1 MW)，由于方陣不規(guī)則，按照3倍對角線長度的要求，取200 m作為測量電流極的長度。水中的幾個箱變方陣的接地電阻測量情況如表1所示。

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，這種新型的接地方法可使水上光伏箱變與岸上陸地的土壤是導(dǎo)通的，且其接地電阻符合光伏陣列接地電阻小于4 Ω的要求。

表1 接地電阻測量情況

2 經(jīng)濟(jì)性論證

1)成本方面。通常，陸地上選用的人工接地極是長度2.5 m、DN50的鍍鋅鋼管，間距為5 m，埋深不低于0.8 m。而對于水上光伏電站而言，部分水域的深度可能會超過2 m，這就需要增加鍍鋅鋼管的長度。

根據(jù)本項目中水庫現(xiàn)場的實際情況，水庫水位在黃海高程13.0～16.0 m之間，而樁頂標(biāo)高是17.10 m(黃海高程)，PHC管樁露出水面的平均高度為2.5 m，打樁區(qū)域的平均水深為2 m，接地極入土深度為1 m，符合設(shè)計要求。為增加接地極在水底淤泥中的牢固性，每根垂直接地極的平均長度需要是5.5 m。整個光伏電站的環(huán)網(wǎng)周長約為20000 m，總共需要4000根5.5 m長的鍍鋅鋼管，而市場上DN50鍍鋅鋼管的規(guī)格是6 m/根，每根的價格約為85元，因此，總造價是4000×85=34 萬元[4]。

根據(jù)2013年電力建設(shè)工程預(yù)算定額，陸地上垂直接地極的施工定額為33.54元/根；而由于水上施工困難，定額為陸地上的1.5倍，即33.54×1.5=50.31元，則施工成本為50.31×4000=20.124萬元。

因此，總成本為34+20.124=54.124萬元。

2)工期方面。根據(jù)水上作業(yè)的難度，安裝接地根的水上工時平均約為1.5 h/根/人，節(jié)省的時間為1.5×3000=4500 h=187.5天/人。

以上成本與計算都是基于本項目采用了人工接地極而進(jìn)行的計算，但采取PHC管樁接地后，就等于節(jié)省了接地極的施工成本與工期。因此，此種方案可以節(jié)約成本54.124萬元，節(jié)省工期187.5天/人。

3 總結(jié)

本文介紹了一種新型水上光伏電站防雷接地方法，通過從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性兩方面進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，此方法不僅能保證工程質(zhì)量，還能節(jié)約工期和成本。針對目前水上光伏發(fā)電項目面臨著工期緊、施工困難的現(xiàn)狀，此方法可在一定程度上緩解工程的困境，提高工程的效率。在邊界條件許可的情況下，可以推廣此種方法。