淺談風(fēng)電場接地網(wǎng)存在的問題及降低接地電阻的措施

王浩，趙明浩，王維

（中國三峽新能源有限公司，北京100053）

1 引言

風(fēng)能是一種儲量極為豐富，取之不盡，用之不竭的清潔可再生綠色能源。近年來，世界各國對節(jié)能環(huán)保、資源短缺等問題的關(guān)注，導(dǎo)致越來越多的國家致力于風(fēng)力發(fā)電的開發(fā)和研究。隨著風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電場數(shù)量的不斷增多和裝機容量的不斷擴大，風(fēng)電機組和電氣設(shè)備的安全、穩(wěn)定運行越來越受到人們的廣泛關(guān)注。根據(jù)風(fēng)資源的分布特點，風(fēng)電場一般所處地理環(huán)境惡劣、地質(zhì)條件差的地區(qū)，且風(fēng)機作為高聳突出物，雷閃很容易在風(fēng)機處形成，造成設(shè)備的損壞。所以做好風(fēng)電場接地網(wǎng)，防止雷電危害對于風(fēng)電場尤為重要。

2 風(fēng)電場接地網(wǎng)的重要性

近年來，隨著風(fēng)電場建設(shè)數(shù)量的不斷增多，風(fēng)電場接地發(fā)生問題造成的安全事故屢見不鮮。以一個5萬千瓦風(fēng)電場為例，如接地網(wǎng)出現(xiàn)問題，發(fā)生雷擊事件造成風(fēng)電場變電站電壓互感器損壞，會直接損失20多萬元，而由于設(shè)備的損壞使風(fēng)電場發(fā)電機組全部停止運行，每天電量損失約為40萬至80萬度，間接損失多達幾百萬元。由此可以看出，完好的接地網(wǎng)不僅可以保障風(fēng)電機組、電氣設(shè)備的完好和人身安全，而且還能減少因接地問題帶來的經(jīng)濟損失。沒有良好的接地網(wǎng)，機組和變電站各部分加裝的防雷裝置就不能發(fā)揮其應(yīng)有的保護作用，因此，接地網(wǎng)的性能將直接決定著機組和電氣設(shè)備的運行可靠性。

3 風(fēng)電場接地網(wǎng)電阻偏高原因

3.1 自然條件

一是地質(zhì)因素。設(shè)計風(fēng)電場接地網(wǎng)時，必須提前了解風(fēng)電場位置地質(zhì)情況，例如在鹽堿地或者山區(qū)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各層土壤的電阻率差異較大，對接地電網(wǎng)的設(shè)計施工都會造成困難。二是環(huán)境因素。在雨雪季節(jié)，大量水分的滲入，導(dǎo)致地表層土壤的電阻率比干燥時降低很多倍；溫度的降低對土壤的冰凍作用則會導(dǎo)致土壤地表層的電阻率明顯升高。

3.2 勘察設(shè)計

風(fēng)電場處于地質(zhì)構(gòu)造及環(huán)境條件復(fù)雜地區(qū)，土壤電阻率變化較大，如僅僅套用現(xiàn)有的接地網(wǎng)設(shè)計圖紙或設(shè)計方案，很可能從設(shè)計環(huán)節(jié)就留下了缺陷，從而造成地網(wǎng)接地電阻偏高等問題。因此，接地網(wǎng)的設(shè)計需要考慮每個可能的機位點位的地質(zhì)和環(huán)境條件，認真地勘察測量計算，具體問題具體分析，才能做出切實可行的接地網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

3.3 施工工藝及質(zhì)量

在系統(tǒng)地設(shè)計接地網(wǎng)的基礎(chǔ)上，對于不同地區(qū)不同環(huán)境風(fēng)電場的接地工程，在施工過程中嚴格把控施工工藝及質(zhì)量同樣重要。地形及地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是位于山區(qū)的風(fēng)電場，施工環(huán)境及條件往往也較為惡劣，需采用多種施工工藝。同時，接地工程屬于隱蔽工程的一種，施工過程中如不能全過程的進行質(zhì)量控制，很可能出現(xiàn)如下一些問題：一是不按圖紙施工。二是不按規(guī)范施工。三是不合理使用降阻劑。降阻劑一般呈酸性，在土壤水分含量較大的地區(qū)或者雨雪季節(jié)，易隨水分解或被沖刷而流失，造成土壤酸性增加，加速接地體的腐蝕，縮短接地裝置使用壽命。

3.4 運行維護

在風(fēng)電場建設(shè)完成通過驗收時，接地網(wǎng)必須是符合規(guī)定的，但在運行期間，仍需要注意一些問題。一是隨著運行時間的延長及環(huán)境的變化，接地體發(fā)生老化或腐蝕，造成接地體與周圍土壤的接觸電阻變大，特別是在酸堿性偏大的土壤中，會加快接地體的腐蝕速度，甚至造成接地體脫離接地裝置；二是防腐措施不到位，在風(fēng)電場運行初期問題不顯，但隨著運行期的延長，銹蝕就會使接地體或連接處的電阻變大或乃至形成開路；三是地質(zhì)運動或者人為破壞造成接地網(wǎng)損壞。鑒于接地裝置的隱蔽性，一般業(yè)主單位或者運行單位都會定期對風(fēng)電場的接地網(wǎng)進行檢查和測量，及時發(fā)現(xiàn)問題，及時處理，避免造成重大事故或損失。

4 風(fēng)電場變電站接地網(wǎng)系統(tǒng)

4.1 施工要求

風(fēng)電場變電站接地網(wǎng)一般采取水平接地帶與垂直接地極相結(jié)合的設(shè)計施工方式。水平接地帶選用熱鍍鋅的圓鋼或扁鋼，垂直接地極可采用熱鍍鋅鋼管、角鋼或銅包鋼。接地網(wǎng)應(yīng)裝設(shè)必需的等電位接地，主接地網(wǎng)的接地電阻建議R≤0.5Ω以下；人工接地網(wǎng)的外緣應(yīng)閉合，外緣的各角應(yīng)做成圓弧形。接地網(wǎng)埋深和接地極頂端一般距地面0.8～1m。在有凍土的地區(qū)，接地網(wǎng)應(yīng)敷設(shè)在凍土層以下；在經(jīng)常有人出入的走道接地網(wǎng)表面應(yīng)考慮采用高電阻率的結(jié)構(gòu)層，例如瀝青路面等；接地裝置應(yīng)敷設(shè)成環(huán)形，避免在雨后積水時，流過中性點的不平衡電流產(chǎn)生的跨步電壓對人和動物造成電擊事故。

4.2 避雷針接地體的施工要求

避雷針應(yīng)設(shè)獨立的接地體，它與主接地網(wǎng)地中距離T≥5m；為避免反擊，屋內(nèi)35kV以下設(shè)備的接地點應(yīng)該與避雷針引下線入地點沿地中距離不小于15m，并且避雷針與引下線之間的連接采用焊接，其接地電阻R≤10Ω。主接地網(wǎng)和避雷針接地網(wǎng)都應(yīng)具有均壓作用，以減少接觸電勢和跨步電壓，同時具備散流作用。在防雷接地裝置中，可采用垂直接地體作為避雷針、避雷線和避雷器加強集中接地和散泄電流的作用。

5 風(fēng)機接地網(wǎng)系統(tǒng)

早期的風(fēng)力發(fā)電機組塔筒高度一般為60 m～80 m，葉片長度30m～40m。近年來，隨著風(fēng)資源開發(fā)利用的提高，80m以上甚至高于100m的風(fēng)力發(fā)電機組塔筒，及長度50m以上的葉片也頻繁應(yīng)用在風(fēng)電項目中。鑒于風(fēng)力發(fā)電機組及葉片的特性，機組接地網(wǎng)的，在風(fēng)電場設(shè)計中對風(fēng)機接地的接地電阻值有明確的規(guī)定，一般風(fēng)機接地網(wǎng)接地電阻≤4Ω[1]。

5.1 風(fēng)機接地存在的問題

①設(shè)計院依據(jù)勘測部門提供的場址電阻率數(shù)據(jù)進行設(shè)計，施工單位根據(jù)設(shè)計院施工圖紙完成施工，若不合格，則一般采取向外延伸地網(wǎng)的方式進行補充設(shè)計施工。②濫用降阻劑、非金屬模塊、離子地極、銅包鋼等輔助降阻產(chǎn)品或材料，不但不能從根本上降低接地電阻的作用而且還造成環(huán)境的污染。③按照傳統(tǒng)設(shè)計，垂直接地體的長度在3米以內(nèi)，距離地面深度在4米左右。這對于各地質(zhì)層電阻率差異大的地區(qū)，顯然不能充分利用土壤天然導(dǎo)電性和深層土壤的散流能力。

5.2 風(fēng)機接地網(wǎng)采取的改進措施

①當(dāng)風(fēng)機的接地網(wǎng)和變電站的接地網(wǎng)距離較近時，為了保證風(fēng)機地網(wǎng)和變電站地網(wǎng)接地電阻合格，則各自的地網(wǎng)面積將會很大，在這種情況下，按技術(shù)規(guī)范相關(guān)要求，可將鄰近的幾組地網(wǎng)進行等電位連接而形成區(qū)域地網(wǎng)，該區(qū)域地網(wǎng)應(yīng)保證在區(qū)域內(nèi)每臺風(fēng)機或變電站處注入測量電流時接地電阻都滿足要求。②采用引外接地，連接遠距離的接地網(wǎng)及鄰近的接地設(shè)備。應(yīng)當(dāng)注意在變電站和遠處接地裝置之間存在顯著的電位差。[2]③合理利用土壤電阻率分布的特點，采用適當(dāng)長度垂直接地極。垂直接地極能充分應(yīng)用深層土壤的散流效能，從而達到降低接地電阻的目的。④考慮降低風(fēng)機及箱變接地裝置的沖擊電阻、減小雷擊時所產(chǎn)生的電磁干擾，單純擴大接地網(wǎng)的面積很難取得良好效果，相對來說，在風(fēng)機附近增加接地網(wǎng)的導(dǎo)體根數(shù)則更為有效，或者在風(fēng)機附近增設(shè)幾根垂直接地極也將明顯改善接地系統(tǒng)的防雷性能。

6 結(jié)語

風(fēng)電場接地網(wǎng)能否發(fā)揮作用，要在設(shè)計、施工和運行維護這三個環(huán)節(jié)加以關(guān)注。設(shè)計要根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對現(xiàn)場的地形地貌、土質(zhì)巖層，進行詳細勘察，提出可行的設(shè)計方案；施工要嚴控過程中的工藝和質(zhì)量；運行維護要定期、及時、到位，合理恰當(dāng)?shù)倪\行維護能夠保證接地網(wǎng)的長期有效，延長風(fēng)電場使用壽命。綜上，在風(fēng)電場建設(shè)過程中，尤其是環(huán)境惡劣、地形復(fù)雜地區(qū)的風(fēng)電場設(shè)計與建設(shè)中，必須因地制宜，充分注重接地網(wǎng)的設(shè)計、施工和運行維護，才能保證風(fēng)力機組和電氣設(shè)備安全、穩(wěn)定運行。