陸上風(fēng)電場(chǎng)防雷接地設(shè)計(jì)的探討

1、陸上風(fēng)電場(chǎng)防雷接地設(shè)計(jì)的探討摘要：本文主要結(jié)合陸上風(fēng)電場(chǎng)防雷接地的特點(diǎn)給出了具有針對(duì)性的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)理論計(jì)算驗(yàn)證了方案的可行性。同時(shí)提出了風(fēng)電場(chǎng)防雷接地施工過(guò)程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，對(duì)陸上風(fēng)電場(chǎng)的防雷接地設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案風(fēng)電場(chǎng)隨著我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，風(fēng)電總裝機(jī)在全部發(fā)電裝機(jī)中的比重越來(lái)越高。然而風(fēng)電場(chǎng)利用小時(shí)數(shù)平均維持在1800小時(shí)左右，尚有一定的提升空間，所以降低風(fēng)電場(chǎng)事故率，保證發(fā)電量，提高利用小時(shí)數(shù)是風(fēng)電發(fā)展中的關(guān)鍵。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是陸上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)投資最大的設(shè)備，占風(fēng)電場(chǎng)總投資的60%左右。由于陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多布置于空曠的地區(qū)甚至高海拔的山區(qū)，加之

2、其構(gòu)造特點(diǎn)，使其極易遭受雷擊。一旦遭到雷擊，雷擊引起過(guò)電壓將造成風(fēng)機(jī)內(nèi)部電氣一次設(shè)備的擊穿，電氣二次設(shè)備元件的燒毀，更換受損部件的費(fèi)用巨大，同時(shí)還將損失因事故造成的發(fā)電量。所以雷電危害是風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的嚴(yán)重威脅，為減小這一威脅，風(fēng)電場(chǎng)防雷接地設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。1陸上風(fēng)電場(chǎng)防雷接地的特點(diǎn)陸上風(fēng)電場(chǎng)占地面積大，所處地區(qū)基本為平原和山地，所以陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安裝位置基本暴露于雷擊之中。而陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬高建筑，輪轂高度在100m以上，葉尖高度可達(dá)150m,所以極易遭受雷擊。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年都有1%2%的風(fēng)機(jī)葉片遭受雷擊，而葉片材料多為復(fù)合材料，沒(méi)有承受直接雷擊的能力和傳導(dǎo)雷電流的功能。雷電

3、流必須通過(guò)風(fēng)機(jī)本身的防雷引下裝置流入風(fēng)機(jī)平臺(tái)下的接地系統(tǒng)，散流于大地。因此，良好的接地系統(tǒng)是保證雷擊過(guò)程中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的基本條件。根據(jù)相關(guān)規(guī)程要求，陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的接地系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)和箱變的工作接地、系統(tǒng)接地、防雷接地和保護(hù)接地，其工頻接地電阻值按風(fēng)機(jī)制造商要求須小于4Q沖擊接地電阻須小于10Q。陸上風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址通常接地條件較差，常規(guī)的接地方設(shè)計(jì)方案很難使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的接地系統(tǒng)滿足規(guī)程規(guī)范的要求。因此，陸上風(fēng)電場(chǎng)的防雷接地設(shè)計(jì)可考慮采用高效、可靠的接地降阻材料，以及優(yōu)化的接地設(shè)計(jì)方案。2陸上風(fēng)電場(chǎng)防雷接地的設(shè)計(jì)思路陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接地可采用基礎(chǔ)內(nèi)部設(shè)置接地網(wǎng)與基礎(chǔ)外部的風(fēng)機(jī)平臺(tái)接地網(wǎng)連接

4、，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的內(nèi)部接地網(wǎng)與風(fēng)機(jī)平臺(tái)接地網(wǎng)連接起均壓的作用，而風(fēng)機(jī)平臺(tái)接地網(wǎng)中可設(shè)置垂直接地極，起疏散雷電流的作用。根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求，最終連接在一起的接地網(wǎng)須滿足接地電阻不大于4Q的要求。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)內(nèi)部的接地網(wǎng)是以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)中心為圓心，根據(jù)不同基礎(chǔ)大小設(shè)置半徑不同的3圈環(huán)形水平接地體，材料可選用-606mm的熱鍍鋅扁鋼。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)外部的風(fēng)機(jī)平臺(tái)接地網(wǎng)則是在基礎(chǔ)內(nèi)部的接地網(wǎng)的基礎(chǔ)上，以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)中心為圓心，半徑應(yīng)大于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，向外設(shè)置1圈環(huán)形水平接地體，最內(nèi)圈環(huán)形水平接地體可敷設(shè)在風(fēng)機(jī)混凝土基礎(chǔ)外開(kāi)挖的基坑內(nèi)，半徑以及形狀可根據(jù)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的開(kāi)挖情況和現(xiàn)場(chǎng)情況而定。在改環(huán)形

5、水平接地體上每隔約10m左右設(shè)置一根L50X5X2500mm的熱鍍鋅角鋼，局部遇到巖石處，以打到巖石為止。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)內(nèi)部的接地網(wǎng)引出4處接地線與塔筒內(nèi)部接地線可靠連接，安裝在風(fēng)機(jī)平臺(tái)處的箱變接地網(wǎng)引出2處接地線與風(fēng)機(jī)平臺(tái)接地網(wǎng)可靠連接。2.1單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接地理論計(jì)算根據(jù)規(guī)程規(guī)范中以水平接地極為主邊緣閉合的復(fù)合接地網(wǎng)的工頻接地電阻值計(jì)算公式：式(1)中：R0為地網(wǎng)基礎(chǔ)接地原電阻值；S為地網(wǎng)面積；P為土壤電阻率;計(jì)算出風(fēng)機(jī)平臺(tái)接地電阻值當(dāng)接地電阻值4時(shí)，接地電阻滿足要求。當(dāng)接地電阻值4Q時(shí)，則采用在風(fēng)機(jī)平臺(tái)接地網(wǎng)每隔約10m左右設(shè)置垂直電解地極可使得基礎(chǔ)地網(wǎng)的接地電阻大幅度下降。根據(jù)等效

6、半球體接地電阻的計(jì)算方法，計(jì)算半球半徑：式(2)中，r為等效接地半徑。如圖1所示在等效接地半徑r的范圍內(nèi)，從風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)部的接地網(wǎng)外圈通過(guò)水平接地體與基礎(chǔ)外部的風(fēng)機(jī)平臺(tái)接地網(wǎng)相連，在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)部接地網(wǎng)外引的水平接地體和風(fēng)機(jī)平臺(tái)接地網(wǎng)中埋設(shè)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(zhì)可向四周滲透，將風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周?chē)耐寥肋M(jìn)行改善，極大地降低了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周?chē)耐寥离娮杪?，使得風(fēng)機(jī)平臺(tái)接地網(wǎng)的接地電阻大幅度下降。故在風(fēng)機(jī)平臺(tái)接地網(wǎng)設(shè)計(jì)中，對(duì)于高土壤電阻率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)，可通過(guò)在外引接地線和風(fēng)機(jī)平臺(tái)接地網(wǎng)中設(shè)置垂直電解地極方式來(lái)進(jìn)行降低接地電阻值。2.2單臺(tái)風(fēng)機(jī)平臺(tái)接地網(wǎng)施工設(shè)計(jì)方案風(fēng)機(jī)

7、平臺(tái)接地網(wǎng)采用水平接地體、電解地極為主，垂直接地極為輔組成復(fù)合接地網(wǎng)。水平接地體采用-606mm熱鍍鋅扁鋼，垂直接地極采用L50X5X2500mm熱鍍鋅角鋼。利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)作為自然接地體，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及土壤電阻率敷設(shè)人工接地網(wǎng)。以風(fēng)機(jī)中心為圓心設(shè)置環(huán)形水平接地體，在距以風(fēng)機(jī)中心為圓心半徑約18m處，設(shè)置一圈接地均壓環(huán)，在該均壓環(huán)上每隔約10m打一根L50X52500mm的熱鍍鋅角鋼，共10根。同時(shí)從風(fēng)機(jī)中心向外敷設(shè)數(shù)根水平接地扁鋼與環(huán)形水平接地扁鋼相交，水平接地網(wǎng)敷設(shè)深度根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求不應(yīng)小于0.8m,水平接地網(wǎng)敷設(shè)時(shí)如遇到巖石則敷設(shè)到巖石為止。在每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接地裝置按設(shè)計(jì)要求

8、完成后，根據(jù)接地要求及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，向基礎(chǔ)外敷設(shè)23條外延接地線，并在接地線上埋設(shè)電解地極。電解地極的埋設(shè)深度不應(yīng)小于0.8m,將地極放置就位后與預(yù)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(zhuān)用回填材料，將電解地極均勻覆蓋，最后用開(kāi)挖土回填夯實(shí)。在風(fēng)機(jī)平臺(tái)接地網(wǎng)施工時(shí)，各交叉點(diǎn)均應(yīng)雙面可靠焊接，不允許虛焊、假焊現(xiàn)象，焊接處采取涂防腐漆或?yàn)r青等防腐蝕措施。每個(gè)風(fēng)機(jī)平臺(tái)接地網(wǎng)敷設(shè)完畢后，應(yīng)對(duì)其接地電阻值進(jìn)行測(cè)量，確保滿足接地電阻滿足規(guī)程規(guī)范的要求。2.3陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷設(shè)計(jì)優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)防雷接地設(shè)計(jì)除上述內(nèi)容外，還可根據(jù)已投產(chǎn)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷設(shè)計(jì)進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化

9、：改善風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片防雷系統(tǒng)。通過(guò)改變接地方式，將防直擊雷的接地與防感應(yīng)雷的接地分開(kāi)。在易遭到直接雷和反擊雷的擊關(guān)鍵部位加裝避雷器和浪涌保護(hù)器。(4)保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備接地線與風(fēng)機(jī)平臺(tái)接地網(wǎng)的可靠連接。3結(jié)語(yǔ)為適應(yīng)我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的特點(diǎn)，保證風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行后能帶來(lái)預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益，風(fēng)電場(chǎng)防雷接地設(shè)計(jì)的合理、可靠是風(fēng)電場(chǎng)各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵因素之一。但因風(fēng)力電發(fā)電機(jī)組的構(gòu)造特殊，風(fēng)電場(chǎng)所處自然環(huán)境惡劣，為避免風(fēng)電場(chǎng)因雷擊故障造成的損失，應(yīng)重視風(fēng)電場(chǎng)的防雷設(shè)計(jì)工作。因此，在風(fēng)電場(chǎng)防雷接地設(shè)計(jì)中，因根據(jù)各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際工程情況，給予針對(duì)性的設(shè)計(jì)，旨在促進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)獲得良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。參考文獻(xiàn)王小英，張賽忠，鄭鴿降低山區(qū)接地電阻的若干措施J.建筑電氣,2009,7(10