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我國(guó)水上光伏電站的發(fā)展與日本、美國(guó)等國(guó)家相比起步較晚，但自從我國(guó)于2015 年正式啟動(dòng)“領(lǐng)跑者”計(jì)劃以來(lái)，光伏發(fā)電發(fā)展迅速，尤其是近年來(lái)，水上光伏電站由于發(fā)電效率高，對(duì)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(guò)程中會(huì)面臨諸多問(wèn)題，而這些問(wèn)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(zhǎng)。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(wú)疑大幅增加了施工成本，同時(shí)由于水深深度的原因，施工難度也大幅增加。

針對(duì)這一問(wèn)題，筆者通過(guò)對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)防雷接地的方法，并以100 MW廣東粵電陽(yáng)江鹽場(chǎng)雙魚(yú)鹽光互補(bǔ)項(xiàng)目為例分別從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性兩方面對(duì)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(guò)程

當(dāng)前，國(guó)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(jì)要求混凝土的強(qiáng)度等級(jí)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(guò)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(guò)混凝土澆筑模型，使鋼筋籠和混凝土形成一個(gè)整體，最后制成管樁[2]。PHC 管樁施工現(xiàn)場(chǎng)如圖1 所示。

1.2 新方案設(shè)想

通過(guò)對(duì)PHC管樁的制作過(guò)程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，可將PHC管樁中的鋼筋籠看作一個(gè)垂直接地極。于是根據(jù)這個(gè)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(lái)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(gè)鋼筋籠的管樁與光伏支架連接在一起，然后通過(guò)鍍鋅扁鐵將每個(gè)矩陣的光伏支架連成一個(gè)整體，就形成了一個(gè)完整的接地網(wǎng)，此種方法也符合共體接地原則。

此種設(shè)想下，光伏支架與PHC 管樁的布置如圖2 所示。

從圖2 中可以看出，7 根PHC 管樁組成了一個(gè)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(gè)整體，就能形成一個(gè)小型的接地網(wǎng);將每個(gè)小型接地網(wǎng)通過(guò)鍍鋅扁鐵焊接在一起，就形成了一個(gè)大型的水上接地網(wǎng)。

1.3 接地極設(shè)計(jì)要求驗(yàn)證

針對(duì)上文接地網(wǎng)的設(shè)想，現(xiàn)以廣東粵電陽(yáng)江鹽場(chǎng)雙魚(yú)鹽光互補(bǔ)項(xiàng)目為例，驗(yàn)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(jì)要求。

根據(jù)GB 50169-2016《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》，陸地上垂直接地極的設(shè)計(jì)埋地深度不低于0.8 m，整個(gè)光伏區(qū)的接地電阻小于10 Ω。PHC 管樁的鋼筋籠長(zhǎng)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(zhǎng)度比陸地的要長(zhǎng)。本項(xiàng)目采用的是PHC300 AB 型管樁，管樁的平均長(zhǎng)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(jì)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×φ 9.0 mm，其截面積為6×3.14×(9/2)2=381.51 mm2，該值遠(yuǎn)大于78.5mm2。這說(shuō)明管樁中鋼筋的截面積滿足了人工接地極的最低設(shè)計(jì)要求。

1.4 接地電阻驗(yàn)證

根據(jù)行業(yè)規(guī)范DL/T 475-2017《接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則》，采用電流- 電壓表三極法驗(yàn)證本項(xiàng)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(gè)光伏區(qū)按照箱變數(shù)量劃分為幾個(gè)小方陣，然后分別測(cè)量每個(gè)方陣的接地電阻，確保整個(gè)接地網(wǎng)的可靠性。按照三極法測(cè)量要求，電流極需要的測(cè)量長(zhǎng)度為單個(gè)方陣的3～5 倍。為了測(cè)量準(zhǔn)確，將接地測(cè)量線( 長(zhǎng)度為單個(gè)方陣對(duì)角線的3 倍) 拉到岸上進(jìn)行電流極測(cè)量，以此方式測(cè)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(wú)法清楚對(duì)比的問(wèn)題，試驗(yàn)圖如圖5 所示。

圖5 中，紅色和黃色區(qū)域?yàn)椴煌墓夥疥?1 MW)，由于方陣不規(guī)則，按照3 倍對(duì)角線長(zhǎng)度的要求，取200 m 作為測(cè)量電流極的長(zhǎng)度。水中的幾個(gè)箱變方陣的接地電阻測(cè)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4Ω 的要求。

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(zhǎng)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(duì)于水上光伏電站而言，部分水域的深度可能會(huì)超過(guò)2 m，這就需要增加鍍鋅鋼管的長(zhǎng)度。

根據(jù)本項(xiàng)目中水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，水庫(kù)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(jì)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(zhǎng)度需要是5.5 m。整個(gè)光伏電站的環(huán)網(wǎng)周長(zhǎng)約為20000 m，總共需要4000 根5.5 m 長(zhǎng)的鍍鋅鋼管，而市場(chǎng)上DN50 鍍鋅鋼管的規(guī)格是6m/ 根，每根的價(jià)格約為85 元，因此，總造價(jià)是4000×85=34 萬(wàn)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(wàn)元。因此，總成本為34+20.124=54.124 萬(wàn)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(shí)平均約為1.5 h/ 根/ 人，節(jié)省的時(shí)間為1.5×3000=4500 h=187.5 天/ 人。

以上成本與計(jì)算都是基于本項(xiàng)目采用了人工接地極而進(jìn)行的計(jì)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(wàn)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(guò)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(duì)目前水上光伏發(fā)電項(xiàng)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。

原標(biāo)題：淺析一種新型水上光伏電站防雷接地方法