高土壤電阻率地區(qū)風(fēng)電機(jī)組接地工程設(shè)計(jì)

楊桂林，孫偉，房翔

（1. 水電十四局大理聚能投資有限公司，大理 671000 ；2. 廣州華煒科技股份有限公司，廣州 510070）

高土壤電阻率地區(qū)風(fēng)電機(jī)組接地工程設(shè)計(jì)

楊桂林1，孫偉1，房翔2

（1. 水電十四局大理聚能投資有限公司，大理 671000 ；2. 廣州華煒科技股份有限公司，廣州 510070）

本文針對(duì)接地工程中可能遇到的各種地質(zhì)條件和工程問(wèn)題，通過(guò)理論計(jì)算的方式給出了設(shè)計(jì)模型，對(duì)接地工程設(shè)計(jì)提出了一些看法。

風(fēng)電機(jī)組；接地電阻；地電位反擊；共用接地系統(tǒng)

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展，由接地問(wèn)題導(dǎo)致的各種運(yùn)行問(wèn)題開(kāi)始逐漸暴露。由于早期風(fēng)電機(jī)組的接地沒(méi)有相應(yīng)的行業(yè)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的接地標(biāo)準(zhǔn)較為混亂，有些工程參照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有些參照電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并且接地材料的選擇也存在問(wèn)題[1]。本文針對(duì)高土壤電阻率地區(qū)的接地工程設(shè)計(jì)提出自己的一些看法。

1 風(fēng)電機(jī)組的接地特點(diǎn)

風(fēng)電機(jī)組的接地主要分為電源共用接地和防雷接地兩個(gè)部分。其中，電源共用接地主要是由于風(fēng)電機(jī)組的供配電及傳輸制式?jīng)Q定的。目前，大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組的低壓端配電采用TN－C制式即三相四線系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)變流器輸出與廂式變電站之間是三根L線一根N線，并且N線與基礎(chǔ)鋼筋籠連接，實(shí)際成為NPE線[2]。

防雷接地既包括了基礎(chǔ)的部分，也包括了基礎(chǔ)之外增加的地網(wǎng)部分。一般的設(shè)計(jì)是在基礎(chǔ)上均布三條60×6的接地扁鋼作為防雷地線與基礎(chǔ)環(huán)連接，實(shí)際上將是作為電源N線地網(wǎng)的輔助和基礎(chǔ)地網(wǎng)面積的增加。從防雷角度而言是增加了地網(wǎng)面積，而在土壤電阻率一定的前提下，降低了工頻接地電阻。

2 接地工程設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)電機(jī)組機(jī)位的接地電阻計(jì)算

由于機(jī)位所處的地質(zhì)條件不同，所處的土壤電阻率也不同，所以全場(chǎng)機(jī)位的接地電阻設(shè)計(jì)應(yīng)具備差異性，圖1顯示了不同機(jī)位的土壤電阻率，可以看出同一機(jī)位不同深度層面的土壤電阻率有著較大變化[3]。

圖1中可以看出9+機(jī)位的土壤電阻率的典型值分布，該機(jī)位表層土壤電阻率約為2300Ω·m；中層的土壤電阻率達(dá)到了3500Ω·m；而到了深層又降低到800Ω·m左右，對(duì)于該機(jī)位的接地電阻設(shè)計(jì)應(yīng)采用不均勻土壤電阻率的接地公式計(jì)算。

當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件具有兩層電阻率結(jié)構(gòu)時(shí)，其接地電阻為：

用式（1）與均勻電阻率的R進(jìn)行比較，可計(jì)算等值電阻率[ρα]為：

其中：

ρ1——表示上層土壤電阻率Ω·m；

ρ2——表示底層土壤電阻率Ω·m。

由于實(shí)際工程計(jì)算時(shí)上下兩層土壤的電阻率存在變化，且范圍較大,不便于進(jìn)行回歸，為此在計(jì)算時(shí)引入一個(gè)系數(shù)K，使等值土壤電阻率

這樣可以把變化率較大的ρα轉(zhuǎn)換在0和1之間的K值。當(dāng)K=0時(shí)，有ρα=ρ1；當(dāng)K=1時(shí)，ρα=ρ2。因此，對(duì)ρα的回歸可以簡(jiǎn)化為對(duì)K值的回歸。

實(shí)際上，在雙層地質(zhì)條件下水平地網(wǎng)的K值主要與兩層地網(wǎng)中上層土壤的電阻率ρ1、下層土壤電阻率ρ2、上層土壤的厚度S、地網(wǎng)面積A及地網(wǎng)網(wǎng)格的密度M等多個(gè)因素的影響，可以表達(dá)為：

圖1 不同機(jī)位的土壤電阻率分布（者磨山風(fēng)場(chǎng)基地電阻率抽樣）

Km是網(wǎng)格數(shù)m的函數(shù)，由Kmn和KmA組成，由以上公式即可以推導(dǎo)出簡(jiǎn)化的雙層土壤電阻率條件下的地網(wǎng)接地電阻計(jì)算公式為：

當(dāng)然，實(shí)際工程設(shè)計(jì)一般遇到類似于9+機(jī)位的情況都會(huì)采取換土的實(shí)際工藝進(jìn)行降阻，而換土后接地電阻的理論計(jì)算實(shí)際也可以按照公式（12）推導(dǎo)出來(lái)。

2.2 公用接地條件下的交流地網(wǎng)中地線的熱穩(wěn)定性計(jì)算

當(dāng)機(jī)組的接地網(wǎng)與N線連接時(shí)，不考慮地線腐蝕的情況，其最小截面積應(yīng)滿足下式的要求：

式中：

Sg—接地體的最小截面積，mm2；

Ig—流過(guò)地線上的預(yù)期短路最大電流值，A；

te—短路的等效持續(xù)時(shí)間，s；

c—接地材料的熱穩(wěn)定系數(shù)。

所以，基于式（13），按照750kW機(jī)組短路電流800A計(jì)算，其共用接地扁鋼的最小截面積應(yīng)滿足16mm2,即40×4mm2的熱鍍鋅扁鋼，而1500kW機(jī)組公用接地扁鋼最小截面應(yīng)大于50×5mm2，而如果把扁鋼的有效腐蝕率考慮進(jìn)來(lái)以后，接地扁鋼的最小截面應(yīng)不小于60×6mm2。

2.3 地網(wǎng)中地線的最小截面積選擇

從考慮地網(wǎng)熱穩(wěn)定性的角度需要考慮接地扁鋼的最小截面積，而從防雷角度也需要對(duì)接地線的截面積進(jìn)行計(jì)算[4]。由于正常條件下對(duì)于交流地網(wǎng)及防雷地網(wǎng)而言是沒(méi)有大電流出現(xiàn)的，而只有在工頻對(duì)地短路及雷電流沖擊條件下接地扁鋼上才可能出現(xiàn)大電流，在地線上出現(xiàn)電流時(shí)接地扁鋼必然會(huì)產(chǎn)生熱量，根據(jù)絕熱過(guò)程寫(xiě)出地線的熱平衡方程簡(jiǎn)化公式：

式中：

Id：接地短路電流的穩(wěn)定值， A；

td：短路等效時(shí)間，按照風(fēng)電機(jī)組最大允許后備短路時(shí)間計(jì)算，s；

A ：接地母線面積，本文中按接地扁鋼考慮，m2；

ρ：接地扁鋼的電阻率，Ω·m；

kf：集膚效應(yīng)系數(shù)；

γ：接地扁鋼的比重 kg/m3；

C：接地扁鋼的熱比，J/℃。

由于地網(wǎng)在實(shí)際的雷電分流中，每根地線上的分流比例可能很小，所以需要從熱穩(wěn)定性及防腐的角度考慮，在沿海及雷擊密度較高地區(qū)時(shí)，接地扁鋼的截面積應(yīng)按照計(jì)算值增加20%冗余。

2.4 在雷擊時(shí)相鄰機(jī)組的雷電流反擊

有資料建議風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的機(jī)位應(yīng)全部連接成為一個(gè)超級(jí)的大地網(wǎng)，而由于相鄰機(jī)位的接地電阻無(wú)法達(dá)到等值的效果，并且根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，把接地電阻不等的相鄰機(jī)位的機(jī)組接地連接在一起，當(dāng)受到雷擊時(shí)，較高接地電阻的機(jī)位受到地電位反擊的概率較小，受到地電位反擊的較多情況是相鄰機(jī)位中接地電阻較低的機(jī)位[5]。

其中，Lt是機(jī)組塔筒的電感量，Ls為地網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)的等值電感，I是雷電流，雷電流的波形是10/350μs波形，波頭為t，陡度為α，則波頭的雷電流I=αt，則通過(guò)塔筒流入大地的雷電流為：

其中β是塔筒的分流系數(shù)，即塔筒的電流與雷電流之比，此時(shí)機(jī)艙架上的電位為：

圖2 相鄰機(jī)位的雷擊地電流分布

圖3 雷擊機(jī)組時(shí)的等效電路

通過(guò)塔筒的分流系數(shù)可以通過(guò)圖3的等值電路求出。

即塔筒的分流系數(shù)除了與塔筒的電感量Lt基礎(chǔ)環(huán)接地的沖擊電阻Rch有關(guān)外，還與地網(wǎng)間的聯(lián)絡(luò)線電感Ls有關(guān)，Ls越大則β越大，流經(jīng)塔筒的電流值就越大。在實(shí)際環(huán)境中，如果2#機(jī)組遭雷擊，很可能與其相連的1#會(huì)因?yàn)槁?lián)絡(luò)線中電流分量的增加而導(dǎo)致地電位反擊造成設(shè)備損壞，而3#則會(huì)因?yàn)榱鹘?jīng)聯(lián)絡(luò)線的沖擊電流分量小而免遭雷擊。因此也說(shuō)明了風(fēng)電機(jī)組在接地建設(shè)時(shí)要求獨(dú)立地網(wǎng)，而不是大面積的聯(lián)合地網(wǎng)的原因。表面理解大面積聯(lián)合地網(wǎng)有利于雷電流的散流，而實(shí)際情況是在沖擊電流和沖擊電阻的作用下，常態(tài)的扁鋼會(huì)產(chǎn)生較大的感抗分量，在沖擊電流下感抗分量會(huì)產(chǎn)生很高的反擊電動(dòng)勢(shì)。

3 結(jié)論

本文對(duì)接地工程中可能遇到的幾種地質(zhì)條件和工程問(wèn)題通過(guò)理論計(jì)算的方式給出了設(shè)計(jì)模型。工程實(shí)際中會(huì)出現(xiàn)很多實(shí)際的問(wèn)題，通過(guò)理論計(jì)算可以給出解決問(wèn)題的思路與方向，但同時(shí)還需要結(jié)合多年積累的工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)解決。由于風(fēng)力發(fā)電行業(yè)沒(méi)有相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以在機(jī)位接地的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收等環(huán)節(jié)上還存在一定的不足，相信隨著行業(yè)逐步的發(fā)展，相應(yīng)的規(guī)范也會(huì)日臻完善。

[1]莊嚴(yán)，李強(qiáng). 青藏高原地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雷電工程防護(hù)設(shè)計(jì)[J].風(fēng)能, 2010(3):63-65.

[2]李景祿. 接地裝置的運(yùn)行與改造[M].北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2005.

[3]莊 嚴(yán).東北淺層凍土工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[R].第六屆中國(guó)國(guó)際防雷論壇, 2007.

[4]胡玲, 郭衛(wèi)東,等. 青海高原雷暴氣候特征及其變化分析[J].氣象, 2009(11):66-72.

[5]邱傳睿,安乾棟,等.青藏線雷電活動(dòng)規(guī)律及電子設(shè)備雷害防護(hù)方法的研究[J].鐵道通信信號(hào), 2002, 38(9):10-14.

Grounding Engineering Design for Wind Turbine in High Soil Resistivity Area

Yang Guilin1, Sun Wei1, Fang Xiang2
(1. Sinohydro14th Bureau Dali Juneng Investment Co.,Ltd., Dali 671000, China; 2. Guangzhou Hopewell Technology Co.,Ltd., Guangzhou 510070, China)

Aiming at all kinds of geological conditions and engineering problems that may be encountered in grounding engineering, the design model was given by theoretical calculation as well as some views on engineering design.

wind turbine; grounding resistance; ground potential counteraftack; common grounding system

TM614

A

1674-9219(2013)10-0096-04

2013-08-22。

楊桂林（1974-），男，本科，中級(jí)工程師，主要從事施工管理工作。