陸上風電場防雷接地設計的探討

1、陸上風電場防雷接地設計的探討摘要：本文主要結合陸上風電場防雷接地的特點給出了具有針對性的設計方案，并通過理論計算驗證了方案的可行性。同時提出了風電場防雷接地施工過程中的關鍵節(jié)點，對陸上風電場的防雷接地設計有一定指導意義。關鍵詞：風力發(fā)電機組接地網(wǎng)設計方案風電場隨著我國風電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，風電總裝機在全部發(fā)電裝機中的比重越來越高。然而風電場利用小時數(shù)平均維持在1800小時左右，尚有一定的提升空間，所以降低風電場事故率，保證發(fā)電量，提高利用小時數(shù)是風電發(fā)展中的關鍵。風力發(fā)電機組是陸上風電場建設投資最大的設備，占風電場總投資的60%左右。由于陸上風力發(fā)電機組大多布置于空曠的地區(qū)甚至高海拔的山區(qū)，加之

2、其構造特點，使其極易遭受雷擊。一旦遭到雷擊，雷擊引起過電壓將造成風機內(nèi)部電氣一次設備的擊穿，電氣二次設備元件的燒毀，更換受損部件的費用巨大，同時還將損失因事故造成的發(fā)電量。所以雷電危害是風電場安全運行、經(jīng)濟生產(chǎn)的嚴重威脅，為減小這一威脅，風電場防雷接地設計是關鍵。1陸上風電場防雷接地的特點陸上風電場占地面積大，所處地區(qū)基本為平原和山地，所以陸上風力發(fā)電機組的安裝位置基本暴露于雷擊之中。而陸上風力發(fā)電機組屬高建筑，輪轂高度在100m以上，葉尖高度可達150m,所以極易遭受雷擊。據(jù)統(tǒng)計，全世界每年都有1%2%的風機葉片遭受雷擊，而葉片材料多為復合材料，沒有承受直接雷擊的能力和傳導雷電流的功能。雷電

3、流必須通過風機本身的防雷引下裝置流入風機平臺下的接地系統(tǒng)，散流于大地。因此，良好的接地系統(tǒng)是保證雷擊過程中風力發(fā)電機組安全運行的基本條件。根據(jù)相關規(guī)程要求，陸上風力發(fā)電機組的接地系統(tǒng)包括風機和箱變的工作接地、系統(tǒng)接地、防雷接地和保護接地，其工頻接地電阻值按風機制造商要求須小于4Q沖擊接地電阻須小于10Q。陸上風電場場址通常接地條件較差，常規(guī)的接地方設計方案很難使風力發(fā)電機組的接地系統(tǒng)滿足規(guī)程規(guī)范的要求。因此，陸上風電場的防雷接地設計可考慮采用高效、可靠的接地降阻材料，以及優(yōu)化的接地設計方案。2陸上風電場防雷接地的設計思路陸上風力發(fā)電機組接地可采用基礎內(nèi)部設置接地網(wǎng)與基礎外部的風機平臺接地網(wǎng)連接

4、，即風力發(fā)電機組的內(nèi)部接地網(wǎng)與風機平臺接地網(wǎng)連接起均壓的作用，而風機平臺接地網(wǎng)中可設置垂直接地極，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。風力發(fā)電機組基礎內(nèi)部的接地網(wǎng)是以風力發(fā)電機組基礎中心為圓心，根據(jù)不同基礎大小設置半徑不同的3圈環(huán)形水平接地體，材料可選用-606mm的熱鍍鋅扁鋼。風力發(fā)電機組基礎外部的風機平臺接地網(wǎng)則是在基礎內(nèi)部的接地網(wǎng)的基礎上，以風力發(fā)電機組基礎中心為圓心，半徑應大于風機基礎，向外設置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在風機混凝土基礎外開挖的基坑內(nèi)，半徑以及形狀可根據(jù)風機基礎的開挖情況和現(xiàn)場情況而定。在改環(huán)形

5、水平接地體上每隔約10m左右設置一根L50X5X2500mm的熱鍍鋅角鋼，局部遇到巖石處，以打到巖石為止。風力發(fā)電機組基礎內(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，安裝在風機平臺處的箱變接地網(wǎng)引出2處接地線與風機平臺接地網(wǎng)可靠連接。2.1單臺風力發(fā)電機組接地理論計算根據(jù)規(guī)程規(guī)范中以水平接地極為主邊緣閉合的復合接地網(wǎng)的工頻接地電阻值計算公式：式(1)中：R0為地網(wǎng)基礎接地原電阻值；S為地網(wǎng)面積；P為土壤電阻率;計算出風機平臺接地電阻值當接地電阻值4時，接地電阻滿足要求。當接地電阻值4Q時，則采用在風機平臺接地網(wǎng)每隔約10m左右設置垂直電解地極可使得基礎地網(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算方法，計算半球半徑：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)，從風機基礎內(nèi)部的接地網(wǎng)外圈通過水平接地體與基礎外部的風機平臺接地網(wǎng)相連，在風機基礎內(nèi)部接地網(wǎng)外引的水平接地體和風機平臺接地網(wǎng)中埋設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，將風機基礎周圍的土壤進行改善，極大地降低了風機基礎周圍的土壤電阻率，使得風機平臺接地網(wǎng)的接地電阻大幅度下降。故在風機平臺接地網(wǎng)設計中，對于高土壤電阻率的風力發(fā)電機組基礎，可通過在外引接地線和風機平臺接地網(wǎng)中設置垂直電解地極方式來進行降低接地電阻值。2.2單臺風機平臺接地網(wǎng)施工設計方案風機

7、平臺接地網(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。利用風力發(fā)電機組基礎作為自然接地體，根據(jù)現(xiàn)場實際情況及土壤電阻率敷設人工接地網(wǎng)。以風機中心為圓心設置環(huán)形水平接地體，在距以風機中心為圓心半徑約18m處，設置一圈接地均壓環(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。同時從風機中心向外敷設數(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)敷設深度根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求不應小于0.8m,水平接地網(wǎng)敷設時如遇到巖石則敷設到巖石為止。在每個風力發(fā)電機組接地裝置按設計要求

8、完成后，根據(jù)接地要求及現(xiàn)場實際情況，向基礎外敷設23條外延接地線，并在接地線上埋設電解地極。電解地極的埋設深度不應小于0.8m,將地極放置就位后與預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用回填材料，將電解地極均勻覆蓋，最后用開挖土回填夯實。在風機平臺接地網(wǎng)施工時，各交叉點均應雙面可靠焊接，不允許虛焊、假焊現(xiàn)象，焊接處采取涂防腐漆或瀝青等防腐蝕措施。每個風機平臺接地網(wǎng)敷設完畢后，應對其接地電阻值進行測量，確保滿足接地電阻滿足規(guī)程規(guī)范的要求。2.3陸上風力發(fā)電機組防雷設計優(yōu)化風電場防雷接地設計除上述內(nèi)容外，還可根據(jù)已投產(chǎn)風電場的運行經(jīng)驗，對風力發(fā)電機組的防雷設計進行有針對性的優(yōu)化

9、：改善風力發(fā)電機組葉片防雷系統(tǒng)。通過改變接地方式，將防直擊雷的接地與防感應雷的接地分開。在易遭到直接雷和反擊雷的擊關鍵部位加裝避雷器和浪涌保護器。(4)保證風力發(fā)電機組設備接地線與風機平臺接地網(wǎng)的可靠連接。3結語為適應我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的特點，保證風電場運行后能帶來預期的經(jīng)濟效益，風電場防雷接地設計的合理、可靠是風電場各個設計環(huán)節(jié)中的關鍵因素之一。但因風力電發(fā)電機組的構造特殊，風電場所處自然環(huán)境惡劣，為避免風電場因雷擊故障造成的損失，應重視風電場的防雷設計工作。因此，在風電場防雷接地設計中，因根據(jù)各個風電場的實際工程情況，給予針對性的設計，旨在促進風電產(chǎn)業(yè)獲得良好的社會、經(jīng)濟效益。參考文獻王小英，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