摘 要：近年來，風(fēng)機(jī)塔架正向高塔架型式、分段組片安裝方式發(fā)展，從而預(yù)應(yīng)力混凝土鋼組合塔架技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。雷擊事故是風(fēng)電場常見事故之一，通常會造成風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)異常、機(jī)電設(shè)備燒毀、葉片斷裂等后果，經(jīng)濟(jì)損失較大，甚至危及人身安全。為使鋼混塔架風(fēng)電機(jī)組在遭受雷擊時，雷擊電流快速、可靠地泄入大地，風(fēng)機(jī)設(shè)備免受損傷，本文從防雷效果、造價、施工工藝、施工驗收等角度出發(fā)，通過方案比選，提出適用于鋼混塔架風(fēng)電機(jī)組的防雷接地設(shè)計方案，其設(shè)計結(jié)果滿足接地電阻、導(dǎo)體截面校驗。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；預(yù)應(yīng)力混凝土鋼組合塔架；防雷接地

中圖分類號：TU398.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）27-0065-03

前 言

“十三五”期間，我國風(fēng)電市場穩(wěn)步發(fā)展，截止2017年上半年，全國風(fēng)機(jī)累計裝機(jī)容量達(dá)1.55億kW。

隨著風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土鋼組合塔架技術(shù)逐漸被風(fēng)電行業(yè)認(rèn)可，關(guān)注度也相應(yīng)提高，是當(dāng)前風(fēng)機(jī)塔架的主流趨勢[1]。與鋼制塔架相比，鋼混塔架具有結(jié)構(gòu)性能好、造價低、運(yùn)維成本低、施工運(yùn)輸方便等優(yōu)點[2]，尤其適用于共振風(fēng)速段頻次較多、主風(fēng)向不定、受湍流影響大的地區(qū)，且塔架高度超過100m后，在成本方面優(yōu)勢明顯，可見鋼混塔架具有較大的市場前景。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常布置在風(fēng)力強(qiáng)大的空曠區(qū)域，如戈壁灘、山頂?shù)?，安裝地勢比周圍區(qū)域高，容易遭到雷擊，且隨著輪轂高度的增高，雷擊的風(fēng)險也隨風(fēng)機(jī)高度的平方值成正比增加，嚴(yán)重威脅到風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。雷電釋放的巨大能量，易造成風(fēng)電機(jī)組葉片損壞、發(fā)電機(jī)絕緣擊穿、電氣設(shè)備及控制元器件燒毀等[3]。常規(guī)的鋼制塔架風(fēng)電機(jī)組在遭受雷擊時，鋼制塔架作為導(dǎo)體形成良好的泄流通道。對于鋼混塔架風(fēng)電機(jī)組，由于塔架下段部分材質(zhì)由鋼筋混凝土構(gòu)成，且各段各片混凝土塔架之間除預(yù)應(yīng)力錨索為非金屬連接、混凝土內(nèi)鋼筋導(dǎo)體不連續(xù)，無法形成泄流通道。因此，如何對鋼混塔架進(jìn)行防雷接地設(shè)計是本論文研究的重點。

本文以河南某風(fēng)電場為例，對鋼混塔架風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行防雷接地設(shè)計，為雷電流及故障電流提供安全可靠的泄流通道，保證雷電沖擊電流快速泄放至大地，確保電力設(shè)備及人員安全。

1 鋼混塔架的結(jié)構(gòu)體型

預(yù)應(yīng)力混凝土鋼組合塔架由預(yù)應(yīng)力混凝土塔架段、鋼制塔架段兩大部分組成。根據(jù)制作工藝分為現(xiàn)澆式及預(yù)制式兩種。由于現(xiàn)澆式混合塔架結(jié)構(gòu)需在預(yù)制裝配的基礎(chǔ)上增加現(xiàn)澆段混凝土的固化時間，施工周期增長，該風(fēng)電場設(shè)計安裝1臺預(yù)制式鋼混塔架風(fēng)電機(jī)組作為樣機(jī)。

該鋼混塔架采用圓環(huán)形截面，下部混凝土塔架分14段，總高50m，每段縱向分為兩個環(huán)片，兩段之間環(huán)片交錯90°安裝；上部鋼制塔架分3段、總高70m。

鋼制塔架之間采用法蘭連接，混凝土塔架與鋼制塔架之間采用特制的鋼制轉(zhuǎn)換段通過法蘭連接?；炷了軜?biāo)準(zhǔn)段每段均高3～4m，無法蘭連接，每段之間通過灌漿封閉、預(yù)應(yīng)力張拉錨索緊固?；炷了茏畹锥闻c風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)通過預(yù)應(yīng)力錨索固定。混凝土塔架內(nèi)預(yù)應(yīng)力張拉錨索縱向貫穿整個混凝土段，非預(yù)應(yīng)力鋼筋于橫向、縱向形成鋼筋網(wǎng)。

2 防雷接地設(shè)計

對于高塔架風(fēng)電機(jī)組，最易受到直擊雷和感應(yīng)雷的危害，直接雷擊保護(hù)主要是針對葉片、機(jī)艙、塔架防雷，間接雷擊保護(hù)主要是指過電壓保護(hù)和等電位連接。

風(fēng)電機(jī)組的工作接地、保護(hù)接地、防雷接地共用一個接地裝置。

2.1 雷電防護(hù)系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電防護(hù)系統(tǒng)主要由接閃器、引下線、等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)、浪涌保護(hù)器、避雷器及接地裝置等組成[4]。

風(fēng)機(jī)葉片金屬接閃器、機(jī)艙頂部避雷針以及機(jī)艙內(nèi)各種電氣設(shè)備的金屬外殼、機(jī)艙控制柜、金屬構(gòu)架、避雷器接地端、金屬管槽等均通過接地電纜連接到機(jī)艙等電位接地端子排。等電位的目的在于減小雷電流所引起的電位差。機(jī)艙等電位接地端子排至少通過兩根接地引下線接至塔架底部等電位接地均壓環(huán)。安裝于底段塔架的塔基控制柜、變流器柜、水（風(fēng)）冷柜及金屬構(gòu)件等均通過接地電纜連接到塔架底部等電位接地均壓環(huán)。塔架底部等電位接地均壓環(huán)通過4根接地扁鋼與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)接地裝置焊接后，形成一個完整的風(fēng)電機(jī)組接地系統(tǒng)，將雷電流泄入大地。

金屬塔架是機(jī)艙與機(jī)組接地裝置的接地干線，塔架各段端部應(yīng)至少設(shè)置三處接地端子，相鄰段接地端子之間分別對應(yīng)連接，連接線應(yīng)采用銅材或鋼材，總截面積不應(yīng)小于150mm2。

風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的主要設(shè)備布置在機(jī)艙和塔架底部的金屬機(jī)柜內(nèi)，強(qiáng)電部分安裝有電源電涌保護(hù)器。

2.2 混凝土塔架防雷設(shè)計

鋼混塔架風(fēng)電機(jī)組的防雷接地設(shè)計與常規(guī)鋼制塔架不同之處在于混凝土段塔架之間的等電位連接。

當(dāng)雷電流小于10.1kA會發(fā)生繞擊、被保護(hù)建筑高度超過60m會發(fā)生側(cè)擊，因此塔架本身會遭受直擊雷擊[5]。所以在進(jìn)行鋼混塔架的防雷接地設(shè)計時，泄流通道既為機(jī)艙傳下來的雷電流提供通道，還要保證塔架本身遭受雷擊時，雷電流能無阻礙地快速泄入大地。

由于各段混凝土塔架之間除了預(yù)應(yīng)力鋼筋無導(dǎo)體連接，若雷電流通過預(yù)應(yīng)力鋼筋導(dǎo)入大地，預(yù)應(yīng)力鋼筋在雷電流的作用下溫度升高，待降溫后，預(yù)應(yīng)力存在一定程度的釋放，若溫升過高，甚至影響預(yù)應(yīng)力鋼筋性能。為此需通過安裝專用接地導(dǎo)體實現(xiàn)混凝土塔架的導(dǎo)電性能。

2.2.1 設(shè)計思路

鋼混塔架防雷接地設(shè)計的整體思路是：沿塔架縱向安裝接地引下線，并沿各段塔架內(nèi)壁設(shè)置預(yù)埋件，實現(xiàn)引下線與混凝土塔架內(nèi)非預(yù)應(yīng)力鋼筋的連接及支撐固定，預(yù)埋件可采用鋼板凳，引下線采用接地扁鋼。預(yù)埋件的安裝位置應(yīng)按照GB50057《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》[6]第5.2.6條的要求：“安裝在高于20m垂直面上垂直扁型導(dǎo)體，固定支架間距不宜大于500mm”，可考慮實際情況適當(dāng)增大。鋼制塔架之間、鋼制轉(zhuǎn)換段與混凝塔架頂段之間、每段混凝土兩片塔架間采用接地線通過螺栓連接，接地線可采用鍍鋅銅絞線或銅絞線。接地線應(yīng)做接線鼻子，且在螺栓連接時做異種金屬過渡處理或使用特殊的線夾和螺栓。

根據(jù)防雷接地引下線安裝位置的不同，本文提出兩種接地扁鋼安裝方案，如表1所示。

由表1可見，風(fēng)電機(jī)組在遭受雷擊時，方案一可以更為可靠地的將雷電流導(dǎo)入大地，驗收簡單、維護(hù)方便，且在造價與方案二相當(dāng)。方案二中將接地扁鋼安裝于混凝土塔架內(nèi)，雖然現(xiàn)場施工較為方便，但泄流通道經(jīng)過接地線多次連接，故障點多，且塔架制作工藝復(fù)雜，另外對于此隱蔽工程還未形成規(guī)范的驗收流程。經(jīng)綜合比較，推薦方案一。

2.2.2 具體工藝

每段混凝土塔架間縱向接地導(dǎo)體采用4根接地扁鋼連接、混凝土塔架頂段與鋼制轉(zhuǎn)換段間采用4根銅絞線與4根接地扁鋼連接、鋼制轉(zhuǎn)換段與鋼塔架間采用4根銅絞線連接。銅絞線截面為50mm2，接地扁鋼規(guī)格選用-60×6mm。接地扁鋼通過混凝土塔架內(nèi)壁預(yù)埋件焊接固定。

同時，為確保雷落至混凝土塔架段時，雷電流迅速引入大地，需將每段混凝土塔架內(nèi)非預(yù)應(yīng)力鋼筋在塔架縱向、橫向接通，且與接地扁鋼接通。具體工藝為：在組成每段混凝土塔架的兩半環(huán)片內(nèi)壁接縫中部，橫向設(shè)置2組預(yù)埋件，每組2個，通過2根50mm2銅絞線于橫向?qū)砂氕h(huán)片內(nèi)非預(yù)應(yīng)力鋼筋接通。在每段混凝土塔架內(nèi)壁縱向共設(shè)置4組預(yù)埋件，每組3個，通過接地扁鋼于縱向?qū)⒚慷嗡軆?nèi)非預(yù)應(yīng)力鋼筋接通?？v向預(yù)埋件安裝于每段混凝土塔架兩半環(huán)片內(nèi)壁45°及135°處，確保每段塔架拼接時預(yù)埋件位置上下對應(yīng)，便于接地扁鋼的焊接。預(yù)埋件均應(yīng)與混凝土塔架內(nèi)非預(yù)應(yīng)力鋼筋可靠焊接。預(yù)埋件布置詳圖如圖1所示。

2.3 風(fēng)電機(jī)組防雷接地設(shè)計

為實現(xiàn)鋼混塔架風(fēng)電機(jī)組的防雷接地保護(hù)，沿塔架內(nèi)壁引4根規(guī)格為-60×6mm熱鍍鋅扁鋼與塔架底部均壓環(huán)連接，作為接地引下線，形成有效的雷電流泄流通道。于混凝土塔架頂部及中部設(shè)置等電位均壓環(huán)。塔架底部均壓環(huán)與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)均壓環(huán)（也作接地干線）通過4根-60×6mm接地扁鋼連接，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)外層均壓環(huán)連接12根規(guī)格為熱鍍鋅鋼管作為垂直接地極。本工程箱變安裝于塔架內(nèi)，箱變內(nèi)接地母排及箱變外殼均需通過接地電纜及接地扁鋼接至塔架底部均壓環(huán)，連接點不應(yīng)小于2處。

由于混凝土塔架內(nèi)預(yù)應(yīng)力錨索與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)直接連接，風(fēng)電機(jī)組的防雷接地設(shè)計還需要利用風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋作為自然接地體，預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)避免與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋及接地扁鋼接觸，接地扁鋼需在預(yù)應(yīng)力錨索與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)連接點上方外引。

預(yù)應(yīng)力混凝土鋼組合塔架風(fēng)電機(jī)組防雷接地圖如圖2所示。

3 校 驗

3.1 接地電阻

根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組規(guī)范》[7]第10.3.1.5條規(guī)定，風(fēng)電機(jī)組接地裝置工頻接地電阻一般應(yīng)小于4？贅。以水平接地體為主，且邊緣閉合的復(fù)合接地體的接地電阻公式為：

R■=■×■+■ln■（1）

式中：Rw——復(fù)合接地體的接地電阻（？贅）；

S——接地網(wǎng)的總面積（m2）；

L——接地體長度，包括垂直接地體（m）；

h——水平接地體的埋設(shè)深度（m）；

d——水平接地體的直徑或等效直徑（m）。

埋入土壤里的接地扁鋼與垂直接地極總長度為180m，接地網(wǎng)的總面積為547m2。該機(jī)位凍土層深度為0.8m，距地面1～3m深度的土壤電阻率為60，土壤性質(zhì)為粉土、微腐蝕，根據(jù)土壤性質(zhì)季節(jié)系數(shù)修正的電阻率為72。由式（1）計算所得的接地電阻為1.63？贅，滿足接地電阻小于4？贅的要求。3.2 沖擊電阻

由水平接地體連接的n根垂直接地體的沖擊接地電阻公式為：

Rcch=■（2）

式中：Rcch——復(fù)合接地體的沖擊電阻（？贅）；

R'cch——每根垂直接地體的沖擊接地電阻（？贅）；

Rpch——水平接地體的沖擊接地電阻（？贅）；

？濁ch——接地體的沖擊利用系數(shù)。

計算所采用的土壤電阻率根據(jù)防雷季節(jié)系數(shù)修正，經(jīng)計算所得的R'cch=21？贅，R？籽ch=0.9？贅，沖擊利用系數(shù)取0.5，由式（2）計算所得的沖擊接地電阻為1.2？贅，滿足風(fēng)電機(jī)組雷電保護(hù)接地的沖擊電阻不宜超過10？贅的要求。

3.3 導(dǎo)體截面

按照（GB/T50065）《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》[8]規(guī)定，接地導(dǎo)體的最小截面應(yīng)符合下式要求：

Sg≥■■（3）

式中：Sg——接地導(dǎo)體的最小截面（mm2）；

Ig——流過接地導(dǎo)體的最大接地故障不對稱電流有效值（A）；

te——接地故障的等效持續(xù)時間（s）；

c——接地材料的熱穩(wěn)定系數(shù)，銅取210，鋼取70。

本工程設(shè)計的風(fēng)電機(jī)組主接地網(wǎng)，在系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下，通過的最大接地故障不對稱短路電流的有效值取25kA，繼電保護(hù)動作時間加斷路器開斷時間取0.6s，由式（3）計算所得的接地扁鋼最小截面為276mm2，考慮腐蝕影響，本工程設(shè)計的-60×6mm接地扁鋼截面滿足入地短路電流熱穩(wěn)定要求。

雷電流幅值超過150kA的概率約為1.97%，超過200kA的概率約為0.5%。一般雷電流沖擊波波長在20～100？滋S范圍內(nèi)，整個雷電流持續(xù)時間可達(dá)0.03～0.15s。

雷電流按200kA，持續(xù)時間按1ms考慮，參考公式（3）計算所得的接地扁鋼最小截面為90mm2、銅接地線的最小截面為30mm2，本工程設(shè)計的防雷引下線-60×6mm接地扁鋼、50mm2銅絞線截面均滿足雷電流熱穩(wěn)定要求。

4 結(jié) 論

本文提出兩種鋼混塔架防雷接地方案，通過方案比選，確定采用沿塔架內(nèi)壁安裝接地扁鋼作為防雷接地引下線，實現(xiàn)鋼混塔架風(fēng)電機(jī)組防雷接地設(shè)計，可較好的滿足經(jīng)濟(jì)性及技術(shù)性要求。因此，該方法在工程中具有廣泛的應(yīng)用前景。

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收稿日期：2018-8-19

作者簡介：常雪劍（1991-），女，漢族，甘肅定西人，助理工程師，碩士研究生，主要從事風(fēng)電場電氣設(shè)計工作。