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摘要：对石墨基柔性接地材料在光伏电站接地系统中的设计与应用进行了相关研究，并对光伏电站接地系统应用传统接地材料的局限性进行了探讨。分析了石墨基柔性接地材料的特点，根据其特点对石墨基柔性接地材料的应用范围进行了总结。以50 MW光伏电站接地系统为例，对其使用传统接地材料和石墨基柔性材料在经济性和用料量等方面进行了对比分析，结果表明石墨基柔性接地材料优于传统接地材料。提出一种石墨基柔性接地材料在光伏电站接地系统中应用的方案，并通过CDEGS软件对该设计方案进行了验证，仿真结果表明了设计方案的可行性。根据研究结果得出了石墨基柔性接地材料相较于传统材料在可靠性和经济性上都具有更好的优势，能应用于光伏电站接地系统。
关键词：石墨基柔性接地材料；传统接地材料；CDEGS;方案；光伏电站
0引言
随着全球能源危机和电力电子技术的不断发展，光伏发电作为一种新型清洁能源受到了广泛的关注[1]。并且，光伏发电量占据总发电量的比例也在逐渐增大。而接地系统安全稳定地运行是保证光伏电站能够安全稳定运行的基础[2]。
传统的接地材料无论是在导电性或抗腐蚀性上都具有一定的局限性[3]。例如，铜金属材料虽然导电性能和防腐蚀性能都比较卓越。但是，材料的整体价格比较贵，不适用于国内环境的使用。因此，中国大多数地区使用镀锌钢金属材料作为接地系统的材料。由于特殊的使用环境，镀锌钢经常出现腐蚀导致接地电阻增大的情况，不能够起到良好的接地效果[4]。针对金属接地材料容易发生腐蚀的情况，出现了使用非金属材料涂抹在金属材料表面以阻断电化学腐蚀路径的做法。但是，这种做法必须要在铺设前完成，施工难度较大。并且，金属材料由于价格较高容易出现被盗的情况[5-6]。其次，金属材料本身的韧性比较大，会出现与地面贴合不良进而导致接地系统不能够及时散流的情况[7-8]。
基于上述内容，本文以50 MW光伏电站接地系统使用传统接地材料和石墨基柔性材料为例，在经济性和用料量方面进行了对比分析。最后，提出了一种将石墨基柔性接地材料应用于光伏电站接地系统中的设计方案。并且，对该方案的可行性进行了对比分析和归纳总结。最终，验证了本文所提设计方案的实际可行性。
1传统接地材料在光伏电站接地系统中应用的局限性
1.1光伏电站接地系统稳定运行的重要性
接地系统安全稳定运行是保证光伏电站稳定运行的前提。因为，当光伏电站发生故障时，故障电流可以通过接地系统泄流入地，从而避免故障电流涌入电网造成电网上连接设备的损坏。因此，接地系统的主要作用是用来对故障电流进行泄流。在这个背景下，就要求接地系统的整体阻抗值要在规定的范围内，这样才能够保证接地系统泄流的通畅[9-17]。其次，接地系统能够降低外部因素对光伏电站带来的影响。例如：雷击电流、电涌电流对光伏电站带来的冲击可以通过接地系统进行引流入地。因此，保证接地系统安全稳定的运行是保证光伏电站安全运行的关键因素[18-21]。
1.2光伏电站应用传统接地材料的局限性
目前，传统的接地材料主要为镀锌钢、铜等金属材料，这些传统的接地材料在进行使用时具有一定的局限性。首先，使用铜金属材料作为接地材料，虽然铜材料具有优越的导电性，并且散热性和耐腐蚀性也比较好。
但是，铜金属材料价格比较高，当大面积使用时使用成本较高。其次，由于铜金属价格较高，在户外使用时可能会被盗窃，不能保证接地系统的安全性。对于镀锌钢，与铜金属材料相比价格较低。但是，这种材料的磁导率较高，在故障发生时，其不能够及时将故障电流泄流入地。最后，由于接地系统埋设在土壤中，镀锌钢极易发生腐蚀，造成导电性能的下降。因此，镀锌钢作为光伏电站接地系统的使用材料时也具有一定的局限性。
2石墨基柔性接地材料的性能特点及应用范围
2.1性能特点
石墨基柔性材料是通过将石墨膨化、辊压和编织等步骤而形成的一种新型材料。由于该种新型材料的本身是石墨材料。因此，该种材料具有优异的导电性，接地系统使用这种材料时能够保证接地电阻在规定的范围内。
其次，石墨基柔性材料相比于镀锌钢等金属材料不会发生腐蚀。因此，无需对材料发生腐蚀的可能性进行担忧。
并且，石墨基柔性材料相较于金属材料具有更强的柔韧性，在不同的敷设环境中都能够保证与大地的贴合度，从而进一步保证了接地系统的导电性能。最后，与铜金属材料相比，石墨基柔性材料的单价更低，但导电性能相差较小。因此，石墨基柔性材料的性价比更高。
综上，可以发现石墨基柔性材料导电性、耐腐蚀性优异，在进行施工和维护时难度较低。因此，光伏电站接地系统在使用石墨基柔性材料作为接地系统材料时，在保障安全可靠的前提下，也能够降低光伏电站的运行和维护成本。
2.2应用范围
对于材料本身而言，其导电性主要是由材料的电阻率和热稳定性共同决定的。石墨基柔性材料的电阻率相比于传统金属接地材料的电阻率较大。但是，石墨基柔性接地材料的热稳定系数约为5.386[1],在热稳定系数方面，石墨基柔性材料优于传统的金属材料。
对于35 kV及以下、中性点经过电阻接地或中性点不接地的输电系统，当其发生短路故障时，输电线路上仅有电容电流通过接地系统流入大地。此时，由于电容电流数值较低，虽然石墨基柔性接地材料的热稳定系数较低，也能够比较容易地选择出满足热稳定使用要求的常规材料横截面。
对于光伏电站而言，在进行设计时一般都是35 kV、经低电阻接地的设计方案。因此，对光伏电站而言，当其发生故障时，输电线路上的电流一般都是电容电流。
综上分析可以发现，对于光伏电站更适合使用石墨基柔性材料作为接地系统的使用材料。
3石墨基柔性接地材料和传统接地材料用量及造价对比
本文以50 MW光伏电站为例，对使用石墨基柔性接地材料和传统接地材料在用料量、经济性和材料的使用周期等方面进行了对比分析。
首先对光伏电站使用镀锌钢和石墨基柔性接地材料进行了综合对比分析。其分析结果如表1所示。由表可知，石墨基柔性接地材料在使用性能、施工和维护方面均优于镀锌钢材料。并且，石墨基柔性接地材料可达30 a使用时长，要远远高于镀锌钢的使用时长。
随后，对镀锌钢与石墨基柔性接地材料的材料用量进行了对于分析，其具体数据如表2所示。由表可知，对于相同的铺设长度，使用石墨基柔性接地材料的质量要远低于使用镀锌钢材料的质量。因此，在运输和施工方面，石墨基柔性接地材料要远优于镀锌钢接地材料。
最后，对使用两种材料作为接地系统材料的整个生命周期进行了对比分析，其分析结果如表3所示。由表可知，石墨基柔性接地材料在整个生命周期无需进行更换，其初始投入费用也比镀锌钢材料的费用要低。光伏电站使用石墨基柔性材料在整个生命周期所产生的费用更是要远远低于镀锌钢材料所产生的费用。
综上所示，在50 MW光伏电站使用石墨基柔性接地材料，在施工、用量和经济性方面均优于镀锌钢金属材料。
4石墨基柔性材料在光伏电站应用的设计方案及仿真验证
4.1设计方案
根据光伏电站对接地系统的设计要求以及石墨基柔性接地材料的材料特性。本文提出了使用石墨基柔性接地材料作为光伏电站接地材料的应用方案。在对光伏电站进行设计的时候，首先根据光伏电站的建设规模和建设地址的地形、地貌等特点，对接地系统进行规划和布局。其次，选择石墨基柔性材料代替传统的金属材料作为光伏电站接地系统的材料。最后，对使用石墨基柔性材料的接地系统的相关参数进行检测并且对整个接地系统的性能进行评估，从而确保光伏电站石墨基柔性接地系统安全稳定的运行。
本文在对光伏电站石墨基柔性材料接地系统进行设计的时候，选择云南某山地的光伏工程进行了举例说明。该光伏电站在对接地网进行埋设时，选择了长度为45 km,横截面为40 cm×5 cm的石墨基柔性水平接地网和饱和离子石墨垂直接地体进行结合，从而组成了整个接地网。其具体连接图1所示。
对于石墨基柔性接地系统的埋设深度为0.6 m。对于光伏电站与石墨接地带的接地引下线部分采用的是镀锌钢材料作为接地引下线。并且，在镀锌钢与石墨基柔性接地辐射网的连接处采用DMC连接件压接的方式进行连接。其具体连接图2所示。
根据施工现场的土壤环境情况，选择合适的位置埋设饱和离子石墨接地极，在此处需要注意，对于垂直接地极的埋设长度不应小于2.5 m。其具体埋设方案如图3所示。
对于光伏电站变压器部分的接地系统在进行设计时应该充分保留余量。因此，本文在进行设计的时候，对于变压器部分向不同的方向埋设了两根快装式离子型石墨接地极，通过镀锌钢与光伏电站内部辐射的石墨基柔性接地系统进行连接。其具体铺设方式如图4所示。
为了保证人员安全，在对靠近人行道地方的石墨基柔性接地带进行铺设时需要增加石墨基柔性降阻布，从而更进一步的降低人行道的接地电阻值。其具体施工示意图如图5所示。
4.2基于C DEGS软件仿真模拟及性能评估
为了验证石墨基柔性材料作为光伏电站接地系统材料的可行性和可靠性，本文对上述设计的接地系统进行了仿真模拟。图6所示为石墨基柔性材料在CDEGS软件中的“导体类型”设置界面。光伏电场场区的土壤平均电阻率为619Ω·m。经CDEGS软件模拟得出接地系统的接地电阻值为0.19Ω,小于4Ω的标准。因此，能够满足接地系统对接地电阻的要求值。
根据仿真结果能够得出，石墨基柔性接地材料作为光伏电站的接地材料不仅具有较低的接地电阻值，还能够保证整个接地系统的抗腐蚀性，从而能够满足光伏电站对接地系统的性能要求。并且，石墨基柔性材料相比于金属材料在施工和维护方面更具有灵活性和简便性，因此，能够有效地降低光伏电站的运行和维护成本。
5结束语
本文对光伏电站接地系统进行了研究，提出了使用一种新型石墨基柔性接地材料作为光伏电站接地系统的材料。并且，研究了石墨基柔性材料应用于光伏电站接地系统的可行性。研究结果表明，石墨基柔性接地材料能够应用于光伏电站接地系统中，由于其具有良好的抗腐蚀性、导电性和柔韧性，能够满足光伏电站的使用要求，且价格相比于铜金属材料而言更低，能够降低光伏电站的建设成本和运行成本。
随着清洁能源的快速发展，光伏电站的建设也在不断增多。而石墨基柔性接地材料是一种非常理想的用于光伏电站的接地材料。从而，在光伏电站建设的推动下石墨基柔性材料将得到快速的发展。其次，石墨基柔性材料也能够应用于其他领域，例如：输电线路接地、建筑接地等环境中。因此，石墨基柔性接地材料具有广阔的发展前景。
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石墨基柔性接地材料在光伏电站中的设计与应用论文
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