風(fēng)電場(chǎng)接地設(shè)計(jì)探討

石 巍，王秋紅

(中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071)

近幾年，隨著國際能源的匱乏和各國對(duì)低碳經(jīng)濟(jì)的倡導(dǎo)，世界上掀起了一股新能源的浪潮，我國的新能源事業(yè)也正迅速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了新的階段。截止2009年6月底，我國風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)1181萬kW，風(fēng)力發(fā)電達(dá)到126億kWh。

目前我國北方的風(fēng)電場(chǎng)主要集中在新疆、內(nèi)蒙古、河北和東北地區(qū)的高原和戈壁地區(qū)，南方的風(fēng)電場(chǎng)主要集中在丘陵和山區(qū)。將來沿海和海上風(fēng)電場(chǎng)將是發(fā)展的主要方向。

由于風(fēng)電場(chǎng)所處的位置風(fēng)資源比較好，相對(duì)也比較空曠，因此遭受雷擊的概率也比較高。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身的防雷，各個(gè)制造廠家都有典型和成熟的設(shè)計(jì)方案，而我們需要解決的主要問題就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的接地。

1 對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接地電阻的要求

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的接地應(yīng)該分為工作接地和防雷接地。這兩個(gè)接地的接地電阻是不一樣的。根據(jù)《交流電氣裝置的接地》(DL/T621-1997)的規(guī)定，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作接地應(yīng)不大于4 Ω。對(duì)于防雷接地電阻在土壤電阻率不大于500Ω.m的地區(qū)不應(yīng)大于10Ω；在高土壤電阻率的地區(qū)，允許接地電阻大于10Ω，但要滿足空中距離和地中距離的要求。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組僅有一個(gè)共用的接地裝置，接地電阻應(yīng)符合其中最小值。因此，按《交流電氣裝置的接地》(DL/T621-1997)的規(guī)定，通常機(jī)組接地電阻取值為小于4Ω。

目前國內(nèi)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)接地電阻的要求不太一致，見表1。

表1 國內(nèi)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)接地電阻的要求

以上各個(gè)風(fēng)機(jī)制造廠給出的就是風(fēng)機(jī)的工作接地電阻，而不是防雷接地電阻要求值。根據(jù)IEC TR61400-24 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 防雷保護(hù)篇章中9.1.2條規(guī)定風(fēng)機(jī)的防雷接地電阻在小于10Ω時(shí)就可以不考慮外引接地線。這就說明風(fēng)機(jī)的防雷接地電阻只要小于10Ω就可以了。

同時(shí)，中國船級(jí)社《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組規(guī)范》中規(guī)定：為了將雷電流流散入大地而不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的過電壓，應(yīng)注意接地裝置的形狀和尺寸設(shè)計(jì)，并應(yīng)有低的接地電阻，其工頻接地電阻一般應(yīng)小于4Ω，在土壤電阻率很大的地方可放寬到10Ω以下。

因此，我們應(yīng)該明確風(fēng)機(jī)的工作接地電阻應(yīng)該不大于4Ω，防雷接地電阻在低土壤電阻率(≤500Ω.m)地區(qū)應(yīng)該不大于10Ω。

2 工頻接地電阻和沖擊接地電阻的區(qū)別

我們通常所說的接地電阻都是對(duì)于工頻電流而言，也就是工頻接地電阻。當(dāng)接地裝置通過雷電流時(shí)，由于雷電流有強(qiáng)烈的沖擊性，接地電阻發(fā)生很大變化，為了區(qū)別起見，這時(shí)的接地電阻稱為沖擊接地電阻。

我們所測(cè)量的接地電阻值，是在低頻、電流密度不大的情況下測(cè)得的，或是用穩(wěn)態(tài)公式計(jì)算得出的電阻值。但在雷擊時(shí)，雷電流是非常強(qiáng)大的沖擊波，其幅值往往達(dá)到幾萬甚至幾十萬安。由于流過接地裝置電流密度的增大，以致土壤中的氣隙、接地體與土壤間的氣層等處發(fā)生火花放電現(xiàn)象，土壤電阻系數(shù)變小，并且土壤與接地體間的接觸面積增大，結(jié)果相當(dāng)于加大接地體尺寸，降低沖擊電阻值。這在沖擊接地電阻計(jì)算公式也可以看出。沖擊接地電阻計(jì)算公式如下：

式中：α為沖擊系數(shù)；R為工頻接地電阻；Ri為沖擊接地電阻。

α一般小于1，所以沖擊接地電阻一般小于工頻接地電阻，故工頻接地電阻小于10Ω，則沖擊接地電阻就小于10Ω。

由于接地體自身的電感阻礙電流向遠(yuǎn)端流動(dòng)，使得接地體得不到充分利用，地網(wǎng)導(dǎo)體上的電位分布很不均勻，離沖擊電流注入點(diǎn)越遠(yuǎn)的地方，接地體上的電位就越低，甚至為零。因此，地網(wǎng)在沖擊電流的作用下，只有電流注入附近一小塊范圍內(nèi)的導(dǎo)體起到散流作用，無論地網(wǎng)有多大，對(duì)應(yīng)沖擊電流其有效面積卻是一定的，有效面積之外的導(dǎo)體并不能起到泄放雷電流的作用。根據(jù)《交流電氣裝置的接地》的要求，見表2。

表2 放射性接地極的有效長(zhǎng)度

這在IEC TR61400-24 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 防雷保護(hù)篇章中也有說明。

3 按要求設(shè)計(jì)接地電阻

在明確了風(fēng)機(jī)的工作接地電阻和防雷接地電阻后，我們就可以按規(guī)定設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)的接地網(wǎng)。我國風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的接地網(wǎng)基本都為圍繞風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)做環(huán)形水平接地網(wǎng)，在水平接地網(wǎng)上加垂直接地極。由于不同工程的地質(zhì)條件不同，各個(gè)風(fēng)機(jī)布機(jī)處的土壤電阻率也大不相同，低的幾十歐.米，高的達(dá)到幾千歐.米。因此風(fēng)機(jī)的接地電阻差別很大，所達(dá)到的效果也不相同。下面我們分幾種情況來討論：

⑴ 風(fēng)機(jī)所在位置的土壤電阻率較低，可以滿足較小的接地網(wǎng)就可以做到接地電阻小于4Ω。

工作接地和防雷接地的接地電阻都可以滿足條件。

⑵ 風(fēng)機(jī)所在位置的土壤電阻率較高，單臺(tái)機(jī)組接地網(wǎng)的接地電阻可以滿足小于10Ω，但不能滿足接地電阻小于4Ω。

按照規(guī)程的要求，工作接地電阻是必須要小于4Ω，我們?cè)诠こ讨胁扇〉姆桨赣袃蓚€(gè)，一是把風(fēng)電場(chǎng)局部區(qū)域的若干臺(tái)風(fēng)機(jī)的接地網(wǎng)連接起來，以保證接地電阻小于4Ω。實(shí)際是就是擴(kuò)大了接地網(wǎng)，以減小接地電阻。由于風(fēng)機(jī)之間的間距一般在幾百米的范圍之內(nèi)，風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)通過兩根水平接地干線互相可靠連接起來，到達(dá)接地電阻小于 4Ω是可行的。二是外引接地極或外接接地網(wǎng)，以保證接地電阻小于4Ω。采用放射狀外引接地極以擴(kuò)大接地面積并向外引到土壤電阻率較低的位置。在山區(qū)也可以采取在山腳下或半山腰土壤電阻率低的位置設(shè)置接地網(wǎng)，再與風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)連接。這樣做到接地電阻小于 4Ω也是可行的。這兩個(gè)方案在具體的工程施工中可以聯(lián)合使用。

由于單臺(tái)機(jī)組接地網(wǎng)滿足工頻接地電阻小于10Ω，沖擊電阻小于工頻電阻，所以，防雷接地電阻小于10Ω滿足條件。

⑶ 風(fēng)機(jī)所在位置的土壤電阻率很高，單臺(tái)機(jī)組接地網(wǎng)的接地電阻不能滿足小于10Ω。

按照規(guī)程的要求，工作接地電阻是必須要小于4Ω，因此我們可以按照(2)的方案一把風(fēng)電場(chǎng)局部區(qū)域的若干臺(tái)風(fēng)機(jī)的接地網(wǎng)連接起來擴(kuò)大地網(wǎng)，以保證接地電阻小于4Ω。只是由于土壤電阻率很高，需要連接的風(fēng)機(jī)數(shù)量會(huì)增加一些。也可以按照(2)的方案二外引接地極或外接接地網(wǎng)，以保證工頻接地電阻小于4Ω。

如前2所述，地網(wǎng)在沖擊電流的作用下，只有電流注入附近一小塊范圍內(nèi)的導(dǎo)體起到散流作用，無論地網(wǎng)有多大，對(duì)應(yīng)沖擊電流其有效面積卻是一定的，有效面積之外的導(dǎo)體并不能起到泄放雷電流的作用。由于土壤電阻率很高，單臺(tái)接地機(jī)組接地電阻在有效面積內(nèi)的接地電阻達(dá)不到小于10Ω，此時(shí)可以采取的有效措施主要是換土，降低土壤電阻率或者采用深井接地等措施。同時(shí)應(yīng)當(dāng)與風(fēng)機(jī)廠家協(xié)商，對(duì)風(fēng)機(jī)采取一些防護(hù)措施加強(qiáng)內(nèi)部設(shè)備安全性，例如加強(qiáng)內(nèi)部設(shè)備屏蔽、采用隔離變壓器等等。

4 結(jié)論

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)接地可以按照以下原則設(shè)計(jì)：

⑴ 風(fēng)機(jī)的工作接地電阻應(yīng)該不大于4Ω，防雷接地電阻在低土壤電阻率(≤500Ω.m)地區(qū)應(yīng)該不大于10Ω，高土壤電阻率(＞500Ω.m)地區(qū)采取措施仍然不能滿足小于10Ω，此種情況需要采取相應(yīng)的特別，例如換土或深井接地，同時(shí)加強(qiáng)風(fēng)機(jī)內(nèi)部設(shè)備的防雷屏蔽措施。

⑵ 風(fēng)機(jī)的外引接地極或外接接地網(wǎng)如果只是考核工頻接地電阻，沒有距離的要求，但如果是考核沖擊接地電阻，應(yīng)該按照規(guī)程設(shè)計(jì)外引導(dǎo)體的長(zhǎng)度。

⑶ 不建議采用降阻劑等方案，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，化學(xué)性的降阻劑對(duì)接地材料和設(shè)備基礎(chǔ)的腐蝕比較嚴(yán)重，而物理性的降阻劑使用效果不明顯。故不建議采用降阻劑方案。

對(duì)于海邊、灘涂和鹽堿地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)我們還應(yīng)該考慮機(jī)組接地網(wǎng)和機(jī)組基礎(chǔ)的防腐蝕措施。

[1]DL/T621-1997，交流電氣裝置的接地[S].

[2]DL/T620-1997，交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合[S].

[3]IEC TR61400-24，Wind turbine generator systems-Part 24：Lightning protection[S].