中高腐蚀光伏区接地材料选择

中高腐蚀光伏区接地材料选择

许光耀

中国能源建设集团天津电力建设有限公司 天津市 300180

前言

在光伏发电项目中，接地材料投资比虽小，但却是保证项目长效安全使用的重要因素！由于土地资源的稀缺性，沙漠、戈壁、荒漠、滩涂、渔光、农光和各类采矿塌陷废弃区，成为光伏电站选址的主要方向，这些地区对接地材料防腐性能要求是极高的。在光伏低压区（即光伏厂区）选择防雷接地材料时着重考虑防腐性，只有在高压使用环境时（既66kV及以上变电站），考虑到有2s以上的短路大电流入地，才有导电性与熔断系数的要求。在选用接地材料时，需考量多种因素，应满足国标、环保、长效、安全、降本和避免后期重复投资等多个要求。

本项目光伏场址区域位于湖北省襄阳市宜城市，与宜城市政府直线距离约为30km。项目规划建设装机规模为107MWp，拟建场址区域占地面积约157hm2。本项目建设期为8个月，生产运行期为25年，建成后拟将4回35kV线路接入新建110kV升压站，后以1回110kV送出线路接入附近电网。我们对升压站场地进行了土壤电阻率测试，测区整体电阻率平均值在36-40Ω·m之间，可判定场地土对钢结构腐蚀等级为中。

一、低压区（光伏区）对接地装置要求的主要特点

GB50065-2011《交流电气装置接地设计规范》 4.3.6 接地网防腐蚀设计应符合下列要求：

1. 计及腐蚀影响后，接地装置设计使用年限，应与地面工程设计使用年限一致；
2. 接地装置的防腐蚀设计，宜按当地的腐蚀数据进行。

结论：本工程接地网防腐年限应不小于25年，土壤电阻率按36-40Ω·m之间进行设计。

二、故障电流及雷击电流对接地线径大小的要求

国际电工委员会IEC 61312-1标准中按照单根接地线泻放的过电流是否达到25%直击雷电流作为防雷接地线线径选取的分界线。按照IEC 61312-1的第3.4.1节要求：如果小于25%的直击雷电流流过等电位连接导体（馈线的接地线属于等电位连接导体），导体截面积应符合IEC 61024-1的表7要求。在IEC-61024的表7中规定：材料为铜，则连接导体的最小截面积为6mm2；材料为铁，则连接导体的最小截面积为16mm2。如果大于25%直击雷电，截面积应符合表6要求，IEC 61024的表6中规定：材料为铜连接导体的最小截面积为16mm2，材料为铁连接导体的最小截面积为50mm2。由于单根接地线泻放的雷电流达不到25%的雷电流，所以设备保护接地线需要考虑的雷电流泻放很容易被满足。即使在某些非常极端的情况下，设备保护接地线泻放的雷电流可能超过25%直击雷电流，最小截面积为铜为16mm2、铁为50mm2也容易满足。

三、GB/T 32512-2016光伏发电站防雷技术要求

GB/T32512-2016《光伏发电站防雷技术要求》及GB/50057-2010《建筑物防雷设计规范规定》接地材料具有适当的强度要求外，首先要符合最小截面积规范：水平线接地体（圆钢）78㎟,接地极（圆钢）为Φ14mm。接地材料使用寿命年限取决于钢芯表面防腐金属层的防腐性能，而防腐金属层越厚相应使用寿命年限越长，引用国标GB50650-2011第42页明确提出：防腐锌层厚度越厚，抗腐蚀性能越好，使用年限越长。采取加厚防腐锌层厚度来延长使用年限的方式是最为合理的。

四、土壤电阻率判断（锌、铜、钢）腐蚀速率的研究：

五、锌/铜金属防腐层计算及材料特点分析：

以市场常规接地材料：热镀锌扁钢0.065mm（镀锌厚度）/铜包钢0.25mm（镀铜厚度） /锌包钢0.5mm（覆锌厚度）做比较，在土壤＜20Ω·m强腐蚀环境计算：

六、锌覆钢（锌包钢）工艺及技术参数：

1、长度：100米/卷 接地线转弯半径≤75mm角度弯曲90°，折弯处锌层不开裂、剥离或明显翘起

2、锌层厚度：≥0.5MM（水平连铸工艺，）可根据项目腐蚀环境定制厚度；

3、锌含量：≥99.9%；

4、直流电阻率：≤0.11Ω·mm2/m；

5、抗拉强度：水平接地线≥327MP，垂直接地极≥500MP；

6、盐雾试验时效：1400小时以上；

7、连接方式：放热焊铜接头，抗拉强度≥133N/mm2；

锌的腐蚀物是稳定物质，容易钝化，在外界环境腐蚀下，易生成ZnCl2•4Zn(OH)2（碱式氯化锌）、 Zn4CO3(OH)6（碱式碳酸锌）致密的包覆层，阻隔了外界电解质溶液进一步的接触与渗入，极大程度上延缓深层锌与基层钢的腐蚀进程，所以锌的腐蚀速率是逐年下降的。

七、材料导电性能对接地材料的影响

光伏区接地材料选型不需要考虑材料导电性能：相对于土壤电阻率，做接地材料的材料为导体，材料的电阻率都极低，在接地材料中导电性能最差的非金属材料石墨电阻率也要远远低于土壤电阻率。GB/T50065-2011 附录A中几个接地电阻计算公式中，材料的导电性能都不是影响接地网接地电阻的因素。

在高压区的接地材料需校验热稳定系数来计算接地材料截面积要求，材料的导电性能是其中一个影响因素，但铜覆钢和锌覆钢接地材料一样都是由钢芯起高强度和高热稳定性作用，表面铜层和锌层承担防腐作用，而热稳定系数的截面积是计算钢芯的热稳定系数得出截面积的需求。

八、接地材料综合性成本对比

九、总结：

1、光伏发电站光伏板区域为低压区，接地材料对电气性能要求低，应使其耐腐蚀性具有适当的机械强度即可，应根据项目的腐蚀环境计算接地材料防腐金属层满足25年的要求。符合国标最小尺寸既满足了故障电流和雷击的泄放（接地水平线10mm，垂直接地极14mm）。

2、从各类数据表明防腐金属（锌）的腐蚀速率是最为稳定的，在相同厚度的情况下锌的防腐蚀性要稍优于铜金属。

3.镀铜扁钢、铜覆钢的铜层0.25mm和热镀锌扁钢的铜层0.065mm，在中/强等级腐蚀环境中无法达到25年的使用寿命，需定制防腐金属层厚度才能满足项目的使用寿命，水平连铸的锌覆钢（锌包钢）才能做到加厚防腐层的工艺，既满足接地材料全寿命周期使用要求。

4、选用锌覆钢（锌包钢）接地材料时加了腐蚀裕度，可对周边金属架构起到阴极保护减少腐蚀作用，而镀铜钢因电位高反而会对金属架构起到加快腐蚀。

5、从成本角度，锌包钢比常规镀锌扁钢节省投资约20%左右。

建议选用：锌覆钢（锌包钢）水平接地线：Φ10锌层0.5mm，垂直接地极：Φ15锌层0.5mm，连接方式采用放热焊接工艺，实现施工速度快、效率高、人工本低、防腐性能优异、性价比高、美观等特点。

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