山地風電場防雷接地降阻設計與研究

彭偉林

中電建新能源集團股份有限公司華東分公司 工程建設部，浙江杭州，310014

0 引言

在全球化石能源供應緊缺的大背景下，作為新型清潔能源之一的風能，受到了世界各國的著重關注。時至今日，風能已經成為我國能源結構的主力軍，風力發電機組的裝機容量與日俱增，隨著我國風電產業技術的發展，風電場建設規模越來越大，很多風電場被安置在海邊、山地等環境中，導致雷電災害逐漸成為影響風電場安全運行的關鍵自然災害，一旦風力發電機組遭受雷擊，不僅會破壞機組自身結構，甚至威脅工作人員的人身安全。所以，為保障整個風電場的風電機組穩定運行及工作人員生命安全，機組的防雷接地裝置至關重要，當機組遭受雷擊時，防雷接地裝置可以將沖擊性的雷電泄放入地，防止發生雷擊事故。一般來說，接地電阻是表征風電場防雷接地裝置性能的重要參數，阻值大小直接體現了防雷接地裝置的泄放電流與穩定電位能力，通常防雷接地電阻的阻值越小，防雷接地裝置的保護性能越優秀。因此，本文針對山地風電場防雷接地降阻的設計進行深入研究，為推動我國風力發電技術的健康發展提供理論依據。

1 山地風電場典型防雷接地設計

雷電是一種強烈的放電現象，會給山地風電場內風電機組帶來嚴重影響[1]，本文針對山地風電場防雷接地降阻設計進行研究，首先探討風電機組的典型接地裝置結構設計。一般情況下，為滿足風電機組對風速的要求，我國風電場會建設在地質條件多為石質土壤的山地，這種山地土壤電阻率通常較高，所以風電機組的接地電阻很難滿足防雷要求[2]。根據相關規定要求，當風電機組遭受雷擊時，為保證機組不受雷擊影響，仍可以安全運行，需要以機組為中心設置防雷接地網，一般防雷接地網由自然接地體和人工接地體組成，其中自然接地體就是風力發電機組的鋼筋混凝土基礎，人工接地體又分為水平與垂直這兩種接地體，示意圖如圖1所示。

圖1 山地風電場典型防雷接地網結構示意圖

如圖1所示，在山地風電場典型防雷接地網結構中，通常設置環形的水平接地體，并在水平環上等距焊接垂直接地體[3]，以此組成人工接地體結構，這樣就可以和自然接地體一起起到防雷作用，而且只有接地網結構埋在土壤中才能發揮出散流的作用。

2 測量防雷接地電阻

為設計山地風電場防雷接地降阻方案，需要測量出風電機組實際的防雷接地網的接地電阻[4]，本文主要采用三極法進行測量，布線示意圖如圖2所示。

圖2 防雷接地電阻測量示意圖

如圖2所示，在利用三極法測量防雷接地網的接地電阻時，分別布置了接地極、電壓極以及電流極I，假設這三個電極均為半球形，且半球形的半徑r均在電極與電極之間布線距離、、之下。其中本文在電壓級與接地極之間設置了電壓表，所以回路電阻較大，幾乎無電流流過，此時測試電流經過接地體流入大地[5]，電壓極產生的電位差為：

根據式（1）與式（2）即可計算出，接地極與電壓極之間的電位差為：

根據該電位差和測試電流，即可獲得風電場防雷接地網的接地電阻[6]，計算公式如下：

3 確定接地電阻的影響因素

如果山地風電場防雷接地網的接地電阻值無法滿足防雷需求，就需要采用有效措施進行降阻[7]。本文在探討防雷接地電阻的降阻措施時，首先需要確定接地電阻的影響因素，根據文中上述內容可知，在測量風電場防雷接地網接地電阻時，土壤電阻率[8]是關鍵參數，對接地電阻值的大小起著重要作用，土壤電阻率越大，接地電阻值越大。在山地風電場防雷接地降阻設計中，為獲取準確的土壤電阻率，本文采用機械手搖指針式接地電阻測試儀作為測量儀器，并以等距法對風電機組點位的土壤電阻率進行多角度測量，示意圖如圖3所示。

圖3 土壤電阻率測量示意圖

結合圖3所示內容，本文根據下式計算山地風電場防雷接地網的土壤電阻率[9]：

式中，D表示測試儀電極之間的距離；H表示測試儀電極埋入土壤的深度；u表示測試儀電極C1與C2之間的電壓；i表示測試儀電極P1與P2之間的電流。以上，本文確定土壤電阻率為山地風電場防雷接地網的接地電阻的主要影響因素，下面將制定相應的降阻措施。

4 制定降低接地電阻的措施

針對上節內容獲取的土壤電阻率為山地風電場防雷接地網接地電阻的主要影響因素，本文將采取更換土壤與使用降阻劑的措施來降低接地電阻值[10]。首先，由于不同土壤之間的土壤電阻率各不相同，所以為降低風電機組防雷接地網的接地電阻，本文將原來接地網處土壤電阻率較高的土壤更換為土壤電阻率較低的土壤，在進行土壤更換施工時，需要根據實際經驗，確定土壤的更換范圍，一般來說，從風電機組接地網的表面算起，接地網尺寸10倍范圍內土壤對接地電阻影響最大，所以本文將在這個范圍內進行土壤更換施工。然后，為使土壤獲得更好的電流泄散條件，從而降低電阻率，本文在土壤中使用降阻劑，降阻劑主要由導電性強且電阻率低的成分組成，包括化學、物理等多種類型，在實際降阻過程中，需要根據山地風電場的實際情況，選擇合適的降阻劑，將其直接埋設在防雷接地網所在土壤區域[11]，降阻劑的使用相當于增加了防雷接地網的尺寸，所以對電流泄放有促進作用。在使用降阻劑進行風電場防雷接地降阻時，可以根據下式所示降阻率來衡量降阻劑的使用效果：

式中，γ表示降阻劑的降阻率；R0、R1分別表示降阻劑埋設前后風電場防雷接地網的接地電阻測量值。在山地風電場防雷接地降阻設計中，已知防雷接地裝置的接地電阻與土壤電阻率密切相關，所以本文制定了更換土壤與使用降阻劑這兩項措施，來降低山地風電場防雷接地電阻[12]。

5 實例分析

5.1 項目介紹

本章將結合某山地風電場的實際情況，對本文研究的風電場防雷接地降阻設計方案的有效性進行驗證。某風電場位于我國西北地區，海拔高程約1850～2030m，有效占地面積約為12.8km2。項目主要利用山上風能資源充足，依靠常年幾乎不間斷的風力，吹動風力發電機組的葉片，進而轉換為社會所需電能，為附近區域提供電源支撐。計劃該風電場總裝機容量為28.8MW，安裝24臺風力發電機組，根據《風電場接入電網技術規定》，該項目選用表1所示的低壓直驅兆瓦級風力發電機組。

表1 風力發電機組參數表

在該項目中，將這24臺風力發電機組分為2組，每一組的風電機構成一個集電單元，經35kV架空輸電線路將收集的電能輸送至風電場的變壓器中，經過變壓器升壓后輸送到電網中。由于風電場所處地區四季分明，夏季多雨，同時山區地形不開闊，易出現雷電災害，對風電場防雷接地性能十分看重，所以本文依托該項目來驗證設計的接地降阻措施的有效性。在進行山地風電場防雷接地降阻工作時，首先需要根據文中上述內容分別測量出各風電機組點位的平均土壤電阻率，詳細結果如表2所示。

表2 風電機組土壤電阻率實測表

如表2所示，在該風電場中，計劃安裝的24臺風電機組被劃分為2組，土壤電阻率處于0～1500Ω·m的11臺風電機組按A型防雷接地網進行設計，剩余13臺土壤電阻率處于1500～3000Ω·m的風電機組按B型防雷接地網進行設計。其中A型防雷接地網主要按1500Ω·m的土壤電阻率進行設計，以鍍鋅扁鋼制成兩個半徑分別為18m與27m的水平接地環，其中半徑為18m的接地環上均勻焊接20根熱鍍鋅鋼管制成的垂直接地體，半徑為27m的水平接地環上均勻焊接32根熱鍍鋅鋼管制成的垂直接地體，以此形成一個綜合防雷接地網，并采用6噸降阻劑進行降阻。B型防雷接地網主要按3000Ω·m的土壤電阻率進行設計，同樣采用鍍鋅扁鋼制作水平接地體，接地環半徑分別為21m與32m，在21m接地環上焊接24根垂直接地體，32m接地環上焊接36根垂直接地體，形成綜合防雷接地網后采用18噸降阻劑進行降阻。

5.2 防雷接地降阻效果分析

按照我國相關規程中規定，山地風電場土壤電阻率≤5000Ω·m時，接地電阻需要在4Ω以下才能認為防雷接地設計合格，本章將通過計算A型接地網與B型接地網的沖擊接地電阻，來評估設計的防雷接地降阻方案的散流能力是否符合要求。首先根據文中上述內容所提接地電阻的計算方法，分別計算出A型防雷接地網中各接地體的接地電阻，結果如表3所示。

表3 A 型防雷接地網的接地電阻

由上表中數據可以看出，A型防雷接地網的沖擊接地電阻為3.16Ω，小于4Ω，滿足山地風電場防雷接地降阻設計要求。同理，分別計算出B型防雷接地網中各接地體的接地電阻，結果如表4所示。

表4 B 型防雷接地網的接地電阻

由上表中數據可以看出，B型防雷接地網的沖擊接地電阻為3.38Ω，小于4Ω，也滿足山地風電場防雷接地降阻設計要求。綜上，本文根據山地風電場的實際情況，為24臺風電機組的防雷接地降阻提供了2種設計方案，無論是何種設計方案，在項目完成后均可以達到雷電沖擊接地電阻小于4Ω的防雷要求，由此可以說明，本文研究的山地風電場防雷接地降阻設計是可行且可靠的。

6 結語

本文針對山地風電場，深入研究了防雷接地降阻的設計，探討了防雷接地電阻的測量技術與影響因素，并制定出相應的降阻措施。最后，本文根據實例分析，證實了設計的防雷接地降阻方案的可靠性與合理性。由于我國開展風電場防雷接地降阻研究較晚，所以仍有很多問題有待研究，如根據風電機組的雷擊特性，確定機組的損害機理與治理方法等。