風電場風機接地問題的對策研究

葉赟愷 許葉萌

中電大豐風力發電有限公司，中國·江蘇 鹽城 224100

1 引言

能源危機是限制中國社會經濟發展的主要因素，促進能源結構轉型升級勢在必行。

特別是在電力行業中，燃煤發電不僅會造成較大的能源消耗，而且會引起環境污染和破壞的問題，威脅人類生活生存空間，限制了經濟的可持續發展。風能是一種清潔型能源，具有可再生的特點，被逐漸應用于社會各領域當中，有助于優化當前能源結構。

風電場建設速度加快，通過風力發電的方式可以解決單一化燃煤發電方式造成的問題，促進電力行業的長遠健康發展。做好風電場風機的接地處理，是保障設備良好運行性能的關鍵，促進其防雷系數的提升，以應對惡劣環境因素的影響。多種因素會對風機的接地效果造成影響，必須結合風電場的特點對接地系統予以優化，以提高整體安全性能。

2 風電場風機接地的影響因素

2.1 高雷暴環境

風電場通常會設置在山區當中，接地設計往往受到高雷暴環境的影響。在應用風電機組時，往往需要對風電場的位置進行全面勘測，確保可以獲得充足的風力資源，從而擴大風機吊裝平臺面積。隨著海拔的上升，風電機組遭受雷擊的概率則會增大，尤其是在設置避雷針后會出現較多的引雷效應，使得整個風電場的運行風險增大。因此，在高雷暴環境下設置風機接地時的難度也更高，需要對其產生危害的原因進行評估，從而科學設置避雷裝置，防止對風機造成較大的威脅，控制風電場的建設及運行成本。

2.2 較高的電阻率

風電場所在區域的電阻率通常較高，這也是影響風機接地效果的主要原因。尤其是當風電場表層內存在較多的強風化巖石且下層存在較多的中風化巖石時，使得巖石的整體電阻率上升，因此相較于普通地區而言，該地區的接地難度也相對較大。當在山區中建設風電場時，由于地形地貌和地質條件等存在較大的差異性，造成巖石結構的不同，因此電阻率的分布也呈現出不均勻性的特點[1]。

2.3 接地網面積及交通

在平整的吊裝平臺中設置接地系統，可以降低接地系統安裝的難度，但是在實踐中往往會受到風力發電機組吊裝平臺面積的影響，導致接地電阻值無法滿足國家及行業相關規定。接地網面積不足，難以在雷雨天氣下對風機形成有效的保護作用。很多風電場所在區域的交通環境較差，因此給材料的運輸和施工造成困擾。隨著運輸距離的延長，風機接地設計成本投入也會增大。

3 風電場風機接地的處理對策

3.1 添加降阻劑

電阻率是影響風電場風機接地效果的關鍵指標，因此應該在接地處理中加以有效控制，從而獲得良好的接地防護效果。在設置風機接地裝置時，可以在基坑當中添加適量的降阻劑，尤其是高效凝膠接地降阻劑的性能較好，周圍土壤會受到離子導電顆粒的影響，通過樹根效應改善風化巖和基巖的基礎土壤性質。該類型降阻劑的應用，不僅能夠有效控制沖擊接地電阻，而且起到了保濕和保水的效果。當接地體散流面積逐漸增大時，會使得電阻率逐漸下降。如果風電場所在區域的降水量較少，土壤含水率不高，則可以采用添加降阻劑的方式，改善風機接地系統的運行性能。

3.2 換土處理

風化巖石在山區中較為常見，而且存在較薄的土壤成厚度，如果風機附近存在較多的粘土，則可以采用換土處理的方式。沙土和風化巖石等電阻率相對較高，可以運用黑土和粘土替代，使得電阻率得到有效控制，在黑土地區和粘土地區的應用效果更好[2]。此外，通過連接不同的接地網，從而構建一個更加完善的網絡體系，也是改善接地性能的重要措施。為了對工程建設成本加以控制，應該在施工中同步敷設電纜。

3.3 深井接地技術

地形是影響土壤電阻率的主要因素，在不同的地形條件下其電阻率也會發生較大的改變，尤其是在縱向和橫向上存在分布不均的情況。深井接地技術在實踐中的應用效果較好，通過構建垂直接地體，能夠使該地區附近的電阻率得到控制，使其達到防雷接地標準[3]。在采用深井接地技術時，需要采取鉆孔處理的方式，按照規定設置垂直接地極，其縫隙需要使用低電阻率的材料實施回填，該材料的基本組成是水和防腐導電黏土等。季節因素和氣候因素等對深井接地技術的影響較小，無論是在炎熱的夏季還是在嚴寒的冬季，都可以起到降低電阻率的作用，使得電極通流得到改善。

3.4 本體防雷接地

當風電機組的本體遭受雷擊時，會產生較高的瞬時能量，引起絕緣擊穿、葉片損壞和控制元件燒毀等問題。為了滿足實際發電需求，當前葉輪直徑更大，而且輪轂高度更高，因此使得風電機組遭受雷擊的概率上升。除了機械效應和熱效應會對風機運行造成威脅外，由于雷擊而產生的電涌過電壓和電磁感應等也會造成較大的危害[4]。為此，應該設計完善的直擊雷防護體系，借助于導雷系統和接閃系統加以防護，充分發揮機艙接閃器和葉片接閃系統的功能。在葉片內部腹板當中設置引下線，同時連接葉身接收器、葉尖和葉根法蘭等，構建完善的葉片接閃系統，從而降低雷電機械能和熱能的影響。在設計機艙接閃器時，需要嚴格規范接閃桿的高度，確保其達到實際防護要求及標準，通過等電位連接的方式順利導出雷電流。

3.5 基礎接地設計

針對設備接地問題、接地電阻問題和接地材料腐蝕問題等，可以通過基礎接地的方式進行處理。在GB51096—2015《風力發電場設計規范》中，對于工頻接地電阻提出了明確的要求，規定阻值應該在4Ω 以內。外延放射極、異形地網等在電阻率較高的風電場中應用較多[5]。在設計基礎接地系統時，可以運用環形異體構建閉合環路，結合水平接地極和垂直接地極，確保埋深在0.5m以上，優化整個主接地網。運用物理降阻劑對周圍土壤進行改善，提高基礎接地系統的整體防雷效果。

3.6 防腐處理

接地裝置長期埋設于地下，會受到電化作用和土壤介質等影響，導致其出現腐蝕問題，會對整體防雷效果造成影響，因此應該做好接地裝置的防腐設計，以便提高裝置的防腐性能，避免發生嚴重的化學反應。針對接地極可以采用黏土進行防護，形成一個良好的隔絕層，避免受到周圍土壤的影響，減少了接地極上的化學反應[6]。此外，電解質防腐接地包在實踐中的應用也較多，在吸附性材料的作用下加快了離子交換速度，有利于降低土壤電阻率。該類方法對于接地體的化學腐蝕問題可以起到有效的預防作用，使其能夠在防雷當中發揮應有的作用。

4 結語

做好風機的接地處理，可以有效應對雷擊的威脅，防止對設備安全造成影響，保障風力發電工作的順利實施，滿足社會的用電需求。在風機接地設計當中，往往會受到高雷暴環境、較高的電阻率、接地網面積及交通等因素的影響，防雷接地難度增大。在實踐工作當中，應該通過添加降阻劑、換土處理、深井接地技術、本體防雷接地和基礎接地設計等，構建完善的防雷接地系統。