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(shè)部，浙江杭州，310014

0 引言

在全球化石能源供應(yīng)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(guān)注。時至今日，風能已經(jīng)成為我國能源結(jié)構(gòu)的主力軍，風力發(fā)電機組的裝機容量與日俱增，隨著我國風電產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，風電場建設(shè)規(guī)模越來越大，很多風電場被安置在海邊、山地等環(huán)境中，導致雷電災(zāi)害逐漸成為影響風電場安全運行的關(guān)鍵自然災(zāi)害，一旦風力發(fā)電機組遭受雷擊，不僅會破壞機組自身結(jié)構(gòu)，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(wěn)定運行及工作人員生命安全，機組的防雷接地裝置至關(guān)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(fā)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(shù)，阻值大小直接體現(xiàn)了防雷接地裝置的泄放電流與穩(wěn)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(yōu)秀。因此，本文針對山地風電場防雷接地降阻的設(shè)計進行深入研究，為推動我國風力發(fā)電技術(shù)的健康發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 山地風電場典型防雷接地設(shè)計

雷電是一種強烈的放電現(xiàn)象，會給山地風電場內(nèi)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(shè)計進行研究，首先探討風電機組的典型接地裝置結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)在地質(zhì)條件多為石質(zhì)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(jù)相關(guān)規(guī)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(shè)置防雷接地網(wǎng)，一般防雷接地網(wǎng)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(fā)電機組的鋼筋混凝土基礎(chǔ)，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(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，在山地風電場典型防雷接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，通常設(shè)置環(huán)形的水平接地體，并在水平環(huán)上等距焊接垂直接地體[3]，以此組成人工接地體結(jié)構(gòu)，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(wǎng)結(jié)構(gòu)埋在土壤中才能發(fā)揮出散流的作用。

2 測量防雷接地電阻

為設(shè)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(wǎng)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(wǎng)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(shè)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(shè)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(jīng)過接地體流入大地[5]，電壓極產(chǎn)生的電位差為：

根據(jù)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(jù)該電位差和測試電流，即可獲得風電場防雷接地網(wǎng)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(wǎng)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(jù)文中上述內(nèi)容可知，在測量風電場防雷接地網(wǎng)接地電阻時，土壤電阻率[8]是關(guān)鍵參數(shù)，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(shè)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(jié)合圖3所示內(nèi)容，本文根據(jù)下式計算山地風電場防雷接地網(wǎng)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(wǎng)的接地電阻的主要影響因素，下面將制定相應(yīng)的降阻措施。

4 制定降低接地電阻的措施

針對上節(jié)內(nèi)容獲取的土壤電阻率為山地風電場防雷接地網(wǎng)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(wǎng)的接地電阻，本文將原來接地網(wǎng)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(jù)實際經(jīng)驗，確定土壤的更換范圍，一般來說，從風電機組接地網(wǎng)的表面算起，接地網(wǎng)尺寸10倍范圍內(nèi)土壤對接地電阻影響最大，所以本文將在這個范圍內(nèi)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(jù)山地風電場的實際情況，選擇合適的降阻劑，將其直接埋設(shè)在防雷接地網(wǎng)所在土壤區(qū)域[11]，降阻劑的使用相當于增加了防雷接地網(wǎng)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(jù)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(shè)前后風電場防雷接地網(wǎng)的接地電阻測量值。在山地風電場防雷接地降阻設(shè)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(guān)，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(jié)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(shè)計方案的有效性進行驗證。某風電場位于我國西北地區(qū)，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(fā)電機組的葉片，進而轉(zhuǎn)換為社會所需電能，為附近區(qū)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(fā)電機組，根據(jù)《風電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，該項目選用表1所示的低壓直驅(qū)兆瓦級風力發(fā)電機組。

表1 風力發(fā)電機組參數(shù)表

在該項目中，將這24臺風力發(fā)電機組分為2組，每一組的風電機構(gòu)成一個集電單元，經(jīng)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(jīng)過變壓器升壓后輸送到電網(wǎng)中。由于風電場所處地區(qū)四季分明，夏季多雨，同時山區(qū)地形不開闊，易出現(xiàn)雷電災(zāi)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(shè)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(jù)文中上述內(nèi)容分別測量出各風電機組點位的平均土壤電阻率，詳細結(jié)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(wǎng)進行設(shè)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(wǎng)進行設(shè)計。其中A型防雷接地網(wǎng)主要按1500Ω·m的土壤電阻率進行設(shè)計，以鍍鋅扁鋼制成兩個半徑分別為18m與27m的水平接地環(huán)，其中半徑為18m的接地環(huán)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(huán)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(wǎng)，并采用6噸降阻劑進行降阻。B型防雷接地網(wǎng)主要按3000Ω·m的土壤電阻率進行設(shè)計，同樣采用鍍鋅扁鋼制作水平接地體，接地環(huán)半徑分別為21m與32m，在21m接地環(huán)上焊接24根垂直接地體，32m接地環(huán)上焊接36根垂直接地體，形成綜合防雷接地網(wǎng)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(guān)規(guī)程中規(guī)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(shè)計合格，本章將通過計算A型接地網(wǎng)與B型接地網(wǎng)的沖擊接地電阻，來評估設(shè)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(jù)文中上述內(nèi)容所提接地電阻的計算方法，分別計算出A型防雷接地網(wǎng)中各接地體的接地電阻，結(jié)果如表3所示。

表3 A 型防雷接地網(wǎng)的接地電阻

由上表中數(shù)據(jù)可以看出，A型防雷接地網(wǎng)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(shè)計要求。同理，分別計算出B型防雷接地網(wǎng)中各接地體的接地電阻，結(jié)果如表4所示。

表4 B 型防雷接地網(wǎng)的接地電阻

由上表中數(shù)據(jù)可以看出，B型防雷接地網(wǎng)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(shè)計要求。綜上，本文根據(jù)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(shè)計方案，無論是何種設(shè)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(shè)計是可行且可靠的。

6 結(jié)語

本文針對山地風電場，深入研究了防雷接地降阻的設(shè)計，探討了防雷接地電阻的測量技術(shù)與影響因素，并制定出相應(yīng)的降阻措施。最后，本文根據(jù)實例分析，證實了設(shè)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(jù)風電機組的雷擊特性，確定機組的損害機理與治理方法等。