陸上風電場防雷接地設計的探討

汪鵬

摘 要：本文主要結合陸上風電場防雷接地的特點給出了具有針對性的設計方案，并通過理論計算驗證了方案的可行性。同時提出了風電場防雷接地施工過程中的關鍵節點，對陸上風電場的防雷接地設計有一定指導意義。

關鍵詞：風力發電機組 接地網 設計方案 風電場

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（b）-0094-02

隨著我國風電產業的迅速發展，風電總裝機在全部發電裝機中的比重越來越高。然而風電場利用小時數平均維持在1800小時左右，尚有一定的提升空間，所以降低風電場事故率，保證發電量，提高利用小時數是風電發展中的關鍵。風力發電機組是陸上風電場建設投資最大的設備，占風電場總投資的60%左右。由于陸上風力發電機組大多布置于空曠的地區甚至高海拔的山區，加之其構造特點，使其極易遭受雷擊。一旦遭到雷擊，雷擊引起過電壓將造成風機內部電氣一次設備的擊穿，電氣二次設備元件的燒毀，更換受損部件的費用巨大，同時還將損失因事故造成的發電量。所以雷電危害是風電場安全運行、經濟生產的嚴重威脅，為減小這一威脅，風電場防雷接地設計是關鍵。

1 陸上風電場防雷接地的特點

陸上風電場占地面積大，所處地區基本為平原和山地，所以陸上風力發電機組的安裝位置基本暴露于雷擊之中。而陸上風力發電機組屬高建筑，輪轂高度在100 m以上，葉尖高度可達150 m，所以極易遭受雷擊。據統計，全世界每年都有1%～2%的風機葉片遭受雷擊，而葉片材料多為復合材料，沒有承受直接雷擊的能力和傳導雷電流的功能。雷電流必須通過風機本身的防雷引下裝置流入風機平臺下的接地系統，散流于大地。因此，良好的接地系統是保證雷擊過程中風力發電機組安全運行的基本條件。

根據相關規程要求，陸上風力發電機組的接地系統包括風機和箱變的工作接地、系統接地、防雷接地和保護接地，其工頻接地電阻值按風機制造商要求須小于4 Ω，沖擊接地電阻須小于10 Ω。陸上風電場場址通常接地條件較差，常規的接地方設計方案很難使風力發電機組的接地系統滿足規程規范的要求。因此，陸上風電場的防雷接地設計可考慮采用高效、可靠的接地降阻材料，以及優化的接地設計方案。

2 陸上風電場防雷接地的設計思路

陸上風力發電機組接地可采用基礎內部設置接地網與基礎外部的風機平臺接地網連接，即風力發電機組的內部接地網與風機平臺接地網連接起均壓的作用，而風機平臺接地網中可設置垂直接地極，起疏散雷電流的作用。根據規程規范要求，最終連接在一起的接地網須滿足接地電阻不大于4 Ω的要求。

風力發電機組基礎內部的接地網是以風力發電機組基礎中心為圓心，根據不同基礎大小設置半徑不同的3圈環形水平接地體，材料可選用-60×6 mm的熱鍍鋅扁鋼。風力發電機組基礎外部的風機平臺接地網則是在基礎內部的接地網的基礎上，以風力發電機組基礎中心為圓心，半徑應大于風機基礎，向外設置1圈環形水平接地體，最內圈環形水平接地體可敷設在風機混凝土基礎外開挖的基坑內，半徑以及形狀可根據風機基礎的開挖情況和現場情況而定。在改環形水平接地體上每隔約10 m左右設置一根L50×5×2500 mm的熱鍍鋅角鋼，局部遇到巖石處，以打到巖石為止。

風力發電機組基礎內部的接地網引出4處接地線與塔筒內部接地線可靠連接，安裝在風機平臺處的箱變接地網引出2處接地線與風機平臺接地網可靠連接。

2.1 單臺風力發電機組接地理論計算

根據規程規范中以水平接地極為主邊緣閉合的復合接地網的工頻接地電阻值計算公式：

在等效接地半徑r的范圍內，從風機基礎內部的接地網外圈通過水平接地體與基礎外部的風機平臺接地網相連，在風機基礎內部接地網外引的水平接地體和風機平臺接地網中埋設接地上相隔一定的距離分別放置垂直電解地極，電解地極中的電解物質可向四周滲透，將風機基礎周圍的土壤進行改善，極大地降低了風機基礎周圍的土壤電阻率，使得風機平臺接地網的接地電阻大幅度下降。故在風機平臺接地網設計中，對于高土壤電阻率的風力發電機組基礎，可通過在外引接地線和風機平臺接地網中設置垂直電解地極方式來進行降低接地電阻值。

2.2 單臺風機平臺接地網施工設計方案

風機平臺接地網采用水平接地體、電解地極為主，垂直接地極為輔組成復合接地網。水平接地體采用-60×6 mm熱鍍鋅扁鋼，垂直接地極采用L50×5×2500 mm熱鍍鋅角鋼。利用風力發電機組基礎作為自然接地體，根據現場實際情況及土壤電阻率敷設人工接地網。

以風機中心為圓心設置環形水平接地體，在距以風機中心為圓心半徑約18 m處，設置一圈接地均壓環，在該均壓環上每隔約10 m打一根L50×5×2500 mm的熱鍍鋅角鋼，共10根。同時從風機中心向外敷設數根水平接地扁鋼與環形水平接地扁鋼相交，水平接地網敷設深度根據規程規范要求不應小于0.8 m，水平接地網敷設時如遇到巖石則敷設到巖石為止。

在每個風力發電機組接地裝置按設計要求完成后，根據接地要求及現場實際情況，向基礎外敷設2～3條外延接地線，并在接地線上埋設電解地極。電解地極的埋設深度不應小于0.8 m，將地極放置就位后與預留的水平接地體可靠連接。連接完成后在電解地極放置處倒入專用回填材料，將電解地極均勻覆蓋，最后用開挖土回填夯實。

在風機平臺接地網施工時，各交叉點均應雙面可靠焊接，不允許虛焊、假焊現象，焊接處采取涂防腐漆或瀝青等防腐蝕措施。

每個風機平臺接地網敷設完畢后，應對其接地電阻值進行測量，確保滿足接地電阻滿足規程規范的要求。

2.3 陸上風力發電機組防雷設計優化

風電場防雷接地設計除上述內容外，還可根據已投產風電場的運行經驗，對風力發電機組的防雷設計進行有針對性的優化：

（1）改善風力發電機組葉片防雷系統。

（2）通過改變接地方式，將防直擊雷的接地與防感應雷的接地分開。

（3）在易遭到直接雷和反擊雷的擊關鍵部位加裝避雷器和浪涌保護器。

（4）保證風力發電機組設備接地線與風機平臺接地網的可靠連接。

3 結語

為適應我國風電產業發展的特點，保證風電場運行后能帶來預期的經濟效益，風電場防雷接地設計的合理、可靠是風電場各個設計環節中的關鍵因素之一。但因風力電發電機組的構造特殊，風電場所處自然環境惡劣，為避免風電場因雷擊故障造成的損失，應重視風電場的防雷設計工作。因此，在風電場防雷接地設計中，因根據各個風電場的實際工程情況，給予針對性的設計，旨在促進風電產業獲得良好的社會、經濟效益。

參考文獻

[1] 王小英，張賽忠，鄭鴿.降低山區接地電阻的若干措施[J].建筑電氣，2009，7（10）：182-183.

[2] 王春瑩，高雪蓮.某電廠防雷接地系統簡析[J].科技情報開發與經濟，2011，8（15）：322-323.

[3] 尹慧勇.風電機組的防雷技術[J].硅谷，2011，9（1）：522-523.

[4] 邱傳睿，林毅龍，李永毅.風電機組的防雷和防雷標準[J].風能，2010，12（3）：822-823.endprint

摘 要：本文主要結合陸上風電場防雷接地的特點給出了具有針對性的設計方案，并通過理論計算驗證了方案的可行性。同時提出了風電場防雷接地施工過程中的關鍵節點，對陸上風電場的防雷接地設計有一定指導意義。

關鍵詞：風力發電機組 接地網 設計方案 風電場

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（b）-0094-02

隨著我國風電產業的迅速發展，風電總裝機在全部發電裝機中的比重越來越高。然而風電場利用小時數平均維持在1800小時左右，尚有一定的提升空間，所以降低風電場事故率，保證發電量，提高利用小時數是風電發展中的關鍵。風力發電機組是陸上風電場建設投資最大的設備，占風電場總投資的60%左右。由于陸上風力發電機組大多布置于空曠的地區甚至高海拔的山區，加之其構造特點，使其極易遭受雷擊。一旦遭到雷擊，雷擊引起過電壓將造成風機內部電氣一次設備的擊穿，電氣二次設備元件的燒毀，更換受損部件的費用巨大，同時還將損失因事故造成的發電量。所以雷電危害是風電場安全運行、經濟生產的嚴重威脅，為減小這一威脅，風電場防雷接地設計是關鍵。

1 陸上風電場防雷接地的特點

陸上風電場占地面積大，所處地區基本為平原和山地，所以陸上風力發電機組的安裝位置基本暴露于雷擊之中。而陸上風力發電機組屬高建筑，輪轂高度在100 m以上，葉尖高度可達150 m，所以極易遭受雷擊。據統計，全世界每年都有1%～2%的風機葉片遭受雷擊，而葉片材料多為復合材料，沒有承受直接雷擊的能力和傳導雷電流的功能。雷電流必須通過風機本身的防雷引下裝置流入風機平臺下的接地系統，散流于大地。因此，良好的接地系統是保證雷擊過程中風力發電機組安全運行的基本條件。

根據相關規程要求，陸上風力發電機組的接地系統包括風機和箱變的工作接地、系統接地、防雷接地和保護接地，其工頻接地電阻值按風機制造商要求須小于4 Ω，沖擊接地電阻須小于10 Ω。陸上風電場場址通常接地條件較差，常規的接地方設計方案很難使風力發電機組的接地系統滿足規程規范的要求。因此，陸上風電場的防雷接地設計可考慮采用高效、可靠的接地降阻材料，以及優化的接地設計方案。

2 陸上風電場防雷接地的設計思路

陸上風力發電機組接地可采用基礎內部設置接地網與基礎外部的風機平臺接地網連接，即風力發電機組的內部接地網與風機平臺接地網連接起均壓的作用，而風機平臺接地網中可設置垂直接地極，起疏散雷電流的作用。根據規程規范要求，最終連接在一起的接地網須滿足接地電阻不大于4 Ω的要求。

風力發電機組基礎內部的接地網是以風力發電機組基礎中心為圓心，根據不同基礎大小設置半徑不同的3圈環形水平接地體，材料可選用-60×6 mm的熱鍍鋅扁鋼。風力發電機組基礎外部的風機平臺接地網則是在基礎內部的接地網的基礎上，以風力發電機組基礎中心為圓心，半徑應大于風機基礎，向外設置1圈環形水平接地體，最內圈環形水平接地體可敷設在風機混凝土基礎外開挖的基坑內，半徑以及形狀可根據風機基礎的開挖情況和現場情況而定。在改環形水平接地體上每隔約10 m左右設置一根L50×5×2500 mm的熱鍍鋅角鋼，局部遇到巖石處，以打到巖石為止。

風力發電機組基礎內部的接地網引出4處接地線與塔筒內部接地線可靠連接，安裝在風機平臺處的箱變接地網引出2處接地線與風機平臺接地網可靠連接。

2.1 單臺風力發電機組接地理論計算

根據規程規范中以水平接地極為主邊緣閉合的復合接地網的工頻接地電阻值計算公式：

在等效接地半徑r的范圍內，從風機基礎內部的接地網外圈通過水平接地體與基礎外部的風機平臺接地網相連，在風機基礎內部接地網外引的水平接地體和風機平臺接地網中埋設接地上相隔一定的距離分別放置垂直電解地極，電解地極中的電解物質可向四周滲透，將風機基礎周圍的土壤進行改善，極大地降低了風機基礎周圍的土壤電阻率，使得風機平臺接地網的接地電阻大幅度下降。故在風機平臺接地網設計中，對于高土壤電阻率的風力發電機組基礎，可通過在外引接地線和風機平臺接地網中設置垂直電解地極方式來進行降低接地電阻值。

2.2 單臺風機平臺接地網施工設計方案

風機平臺接地網采用水平接地體、電解地極為主，垂直接地極為輔組成復合接地網。水平接地體采用-60×6 mm熱鍍鋅扁鋼，垂直接地極采用L50×5×2500 mm熱鍍鋅角鋼。利用風力發電機組基礎作為自然接地體，根據現場實際情況及土壤電阻率敷設人工接地網。

以風機中心為圓心設置環形水平接地體，在距以風機中心為圓心半徑約18 m處，設置一圈接地均壓環，在該均壓環上每隔約10 m打一根L50×5×2500 mm的熱鍍鋅角鋼，共10根。同時從風機中心向外敷設數根水平接地扁鋼與環形水平接地扁鋼相交，水平接地網敷設深度根據規程規范要求不應小于0.8 m，水平接地網敷設時如遇到巖石則敷設到巖石為止。

在每個風力發電機組接地裝置按設計要求完成后，根據接地要求及現場實際情況，向基礎外敷設2～3條外延接地線，并在接地線上埋設電解地極。電解地極的埋設深度不應小于0.8 m，將地極放置就位后與預留的水平接地體可靠連接。連接完成后在電解地極放置處倒入專用回填材料，將電解地極均勻覆蓋，最后用開挖土回填夯實。

在風機平臺接地網施工時，各交叉點均應雙面可靠焊接，不允許虛焊、假焊現象，焊接處采取涂防腐漆或瀝青等防腐蝕措施。

每個風機平臺接地網敷設完畢后，應對其接地電阻值進行測量，確保滿足接地電阻滿足規程規范的要求。

2.3 陸上風力發電機組防雷設計優化

風電場防雷接地設計除上述內容外，還可根據已投產風電場的運行經驗，對風力發電機組的防雷設計進行有針對性的優化：

（1）改善風力發電機組葉片防雷系統。

（2）通過改變接地方式，將防直擊雷的接地與防感應雷的接地分開。

（3）在易遭到直接雷和反擊雷的擊關鍵部位加裝避雷器和浪涌保護器。

（4）保證風力發電機組設備接地線與風機平臺接地網的可靠連接。

3 結語

為適應我國風電產業發展的特點，保證風電場運行后能帶來預期的經濟效益，風電場防雷接地設計的合理、可靠是風電場各個設計環節中的關鍵因素之一。但因風力電發電機組的構造特殊，風電場所處自然環境惡劣，為避免風電場因雷擊故障造成的損失，應重視風電場的防雷設計工作。因此，在風電場防雷接地設計中，因根據各個風電場的實際工程情況，給予針對性的設計，旨在促進風電產業獲得良好的社會、經濟效益。

參考文獻

[1] 王小英，張賽忠，鄭鴿.降低山區接地電阻的若干措施[J].建筑電氣，2009，7（10）：182-183.

[2] 王春瑩，高雪蓮.某電廠防雷接地系統簡析[J].科技情報開發與經濟，2011，8（15）：322-323.

[3] 尹慧勇.風電機組的防雷技術[J].硅谷，2011，9（1）：522-523.

[4] 邱傳睿，林毅龍，李永毅.風電機組的防雷和防雷標準[J].風能，2010，12（3）：822-823.endprint

摘 要：本文主要結合陸上風電場防雷接地的特點給出了具有針對性的設計方案，并通過理論計算驗證了方案的可行性。同時提出了風電場防雷接地施工過程中的關鍵節點，對陸上風電場的防雷接地設計有一定指導意義。

關鍵詞：風力發電機組 接地網 設計方案 風電場

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（b）-0094-02

隨著我國風電產業的迅速發展，風電總裝機在全部發電裝機中的比重越來越高。然而風電場利用小時數平均維持在1800小時左右，尚有一定的提升空間，所以降低風電場事故率，保證發電量，提高利用小時數是風電發展中的關鍵。風力發電機組是陸上風電場建設投資最大的設備，占風電場總投資的60%左右。由于陸上風力發電機組大多布置于空曠的地區甚至高海拔的山區，加之其構造特點，使其極易遭受雷擊。一旦遭到雷擊，雷擊引起過電壓將造成風機內部電氣一次設備的擊穿，電氣二次設備元件的燒毀，更換受損部件的費用巨大，同時還將損失因事故造成的發電量。所以雷電危害是風電場安全運行、經濟生產的嚴重威脅，為減小這一威脅，風電場防雷接地設計是關鍵。

1 陸上風電場防雷接地的特點

陸上風電場占地面積大，所處地區基本為平原和山地，所以陸上風力發電機組的安裝位置基本暴露于雷擊之中。而陸上風力發電機組屬高建筑，輪轂高度在100 m以上，葉尖高度可達150 m，所以極易遭受雷擊。據統計，全世界每年都有1%～2%的風機葉片遭受雷擊，而葉片材料多為復合材料，沒有承受直接雷擊的能力和傳導雷電流的功能。雷電流必須通過風機本身的防雷引下裝置流入風機平臺下的接地系統，散流于大地。因此，良好的接地系統是保證雷擊過程中風力發電機組安全運行的基本條件。

根據相關規程要求，陸上風力發電機組的接地系統包括風機和箱變的工作接地、系統接地、防雷接地和保護接地，其工頻接地電阻值按風機制造商要求須小于4 Ω，沖擊接地電阻須小于10 Ω。陸上風電場場址通常接地條件較差，常規的接地方設計方案很難使風力發電機組的接地系統滿足規程規范的要求。因此，陸上風電場的防雷接地設計可考慮采用高效、可靠的接地降阻材料，以及優化的接地設計方案。

2 陸上風電場防雷接地的設計思路

陸上風力發電機組接地可采用基礎內部設置接地網與基礎外部的風機平臺接地網連接，即風力發電機組的內部接地網與風機平臺接地網連接起均壓的作用，而風機平臺接地網中可設置垂直接地極，起疏散雷電流的作用。根據規程規范要求，最終連接在一起的接地網須滿足接地電阻不大于4 Ω的要求。

風力發電機組基礎內部的接地網是以風力發電機組基礎中心為圓心，根據不同基礎大小設置半徑不同的3圈環形水平接地體，材料可選用-60×6 mm的熱鍍鋅扁鋼。風力發電機組基礎外部的風機平臺接地網則是在基礎內部的接地網的基礎上，以風力發電機組基礎中心為圓心，半徑應大于風機基礎，向外設置1圈環形水平接地體，最內圈環形水平接地體可敷設在風機混凝土基礎外開挖的基坑內，半徑以及形狀可根據風機基礎的開挖情況和現場情況而定。在改環形水平接地體上每隔約10 m左右設置一根L50×5×2500 mm的熱鍍鋅角鋼，局部遇到巖石處，以打到巖石為止。

風力發電機組基礎內部的接地網引出4處接地線與塔筒內部接地線可靠連接，安裝在風機平臺處的箱變接地網引出2處接地線與風機平臺接地網可靠連接。

2.1 單臺風力發電機組接地理論計算

根據規程規范中以水平接地極為主邊緣閉合的復合接地網的工頻接地電阻值計算公式：

在等效接地半徑r的范圍內，從風機基礎內部的接地網外圈通過水平接地體與基礎外部的風機平臺接地網相連，在風機基礎內部接地網外引的水平接地體和風機平臺接地網中埋設接地上相隔一定的距離分別放置垂直電解地極，電解地極中的電解物質可向四周滲透，將風機基礎周圍的土壤進行改善，極大地降低了風機基礎周圍的土壤電阻率，使得風機平臺接地網的接地電阻大幅度下降。故在風機平臺接地網設計中，對于高土壤電阻率的風力發電機組基礎，可通過在外引接地線和風機平臺接地網中設置垂直電解地極方式來進行降低接地電阻值。

2.2 單臺風機平臺接地網施工設計方案

風機平臺接地網采用水平接地體、電解地極為主，垂直接地極為輔組成復合接地網。水平接地體采用-60×6 mm熱鍍鋅扁鋼，垂直接地極采用L50×5×2500 mm熱鍍鋅角鋼。利用風力發電機組基礎作為自然接地體，根據現場實際情況及土壤電阻率敷設人工接地網。

以風機中心為圓心設置環形水平接地體，在距以風機中心為圓心半徑約18 m處，設置一圈接地均壓環，在該均壓環上每隔約10 m打一根L50×5×2500 mm的熱鍍鋅角鋼，共10根。同時從風機中心向外敷設數根水平接地扁鋼與環形水平接地扁鋼相交，水平接地網敷設深度根據規程規范要求不應小于0.8 m，水平接地網敷設時如遇到巖石則敷設到巖石為止。

在每個風力發電機組接地裝置按設計要求完成后，根據接地要求及現場實際情況，向基礎外敷設2～3條外延接地線，并在接地線上埋設電解地極。電解地極的埋設深度不應小于0.8 m，將地極放置就位后與預留的水平接地體可靠連接。連接完成后在電解地極放置處倒入專用回填材料，將電解地極均勻覆蓋，最后用開挖土回填夯實。

在風機平臺接地網施工時，各交叉點均應雙面可靠焊接，不允許虛焊、假焊現象，焊接處采取涂防腐漆或瀝青等防腐蝕措施。

每個風機平臺接地網敷設完畢后，應對其接地電阻值進行測量，確保滿足接地電阻滿足規程規范的要求。

2.3 陸上風力發電機組防雷設計優化

風電場防雷接地設計除上述內容外，還可根據已投產風電場的運行經驗，對風力發電機組的防雷設計進行有針對性的優化：

（1）改善風力發電機組葉片防雷系統。

（2）通過改變接地方式，將防直擊雷的接地與防感應雷的接地分開。

（3）在易遭到直接雷和反擊雷的擊關鍵部位加裝避雷器和浪涌保護器。

（4）保證風力發電機組設備接地線與風機平臺接地網的可靠連接。

3 結語

為適應我國風電產業發展的特點，保證風電場運行后能帶來預期的經濟效益，風電場防雷接地設計的合理、可靠是風電場各個設計環節中的關鍵因素之一。但因風力電發電機組的構造特殊，風電場所處自然環境惡劣，為避免風電場因雷擊故障造成的損失，應重視風電場的防雷設計工作。因此，在風電場防雷接地設計中，因根據各個風電場的實際工程情況，給予針對性的設計，旨在促進風電產業獲得良好的社會、經濟效益。

參考文獻

[1] 王小英，張賽忠，鄭鴿.降低山區接地電阻的若干措施[J].建筑電氣，2009，7（10）：182-183.

[2] 王春瑩，高雪蓮.某電廠防雷接地系統簡析[J].科技情報開發與經濟，2011，8（15）：322-323.

[3] 尹慧勇.風電機組的防雷技術[J].硅谷，2011，9（1）：522-523.

[4] 邱傳睿，林毅龍，李永毅.風電機組的防雷和防雷標準[J].風能，2010，12（3）：822-823.endprint