山地風(fēng)電場防雷接地降阻設(shè)計(jì)與研究

彭偉林

中電建新能源集團(tuán)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(fēng)能，受到了世界各國的著重關(guān)注。時至今日，風(fēng)能已經(jīng)成為我國能源結(jié)構(gòu)的主力軍，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量與日俱增，隨著我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電場建設(shè)規(guī)模越來越大，很多風(fēng)電場被安置在海邊、山地等環(huán)境中，導(dǎo)致雷電災(zāi)害逐漸成為影響風(fēng)電場安全運(yùn)行的關(guān)鍵自然災(zāi)害，一旦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭受雷擊，不僅會破壞機(jī)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(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行及工作人員生命安全，機(jī)組的防雷接地裝置至關(guān)重要，當(dāng)機(jī)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(fēng)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(hù)性能越優(yōu)秀。因此，本文針對山地風(fēng)電場防雷接地降阻的設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，為推動我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的健康發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 山地風(fēng)電場典型防雷接地設(shè)計(jì)

雷電是一種強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象，會給山地風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組帶來嚴(yán)重影響[1]，本文針對山地風(fēng)電場防雷接地降阻設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，首先探討風(fēng)電機(jī)組的典型接地裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一般情況下，為滿足風(fēng)電機(jī)組對風(fēng)速的要求，我國風(fēng)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(fēng)電機(jī)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(dāng)風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊時，為保證機(jī)組不受雷擊影響，仍可以安全運(yùn)行，需要以機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)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(fēng)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(jì)山地風(fēng)電場防雷接地降阻方案，需要測量出風(fēng)電機(jī)組實(shí)際的防雷接地網(wǎng)的接地電阻[4]，本文主要采用三極法進(jìn)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(jì)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(fēng)電場防雷接地網(wǎng)的接地電阻[6]，計(jì)算公式如下：

3 確定接地電阻的影響因素

如果山地風(fēng)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(jìn)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(fēng)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(fēng)電場防雷接地降阻設(shè)計(jì)中，為獲取準(zhǔn)確的土壤電阻率，本文采用機(jī)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(fēng)電機(jī)組點(diǎn)位的土壤電阻率進(jìn)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(jì)算山地風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)電機(jī)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(jìn)行土壤更換施工時，需要根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確定土壤的更換范圍，一般來說，從風(fēng)電機(jī)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(jìn)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(dǎo)電性強(qiáng)且電阻率低的成分組成，包括化學(xué)、物理等多種類型，在實(shí)際降阻過程中，需要根據(jù)山地風(fēng)電場的實(shí)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(dāng)于增加了防雷接地網(wǎng)的尺寸，所以對電流泄放有促進(jìn)作用。在使用降阻劑進(jìn)行風(fēng)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(fēng)電場防雷接地網(wǎng)的接地電阻測量值。在山地風(fēng)電場防雷接地降阻設(shè)計(jì)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(xiàng)措施，來降低山地風(fēng)電場防雷接地電阻[12]。

5 實(shí)例分析

5.1 項(xiàng)目介紹

本章將結(jié)合某山地風(fēng)電場的實(shí)際情況，對本文研究的風(fēng)電場防雷接地降阻設(shè)計(jì)方案的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。某風(fēng)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(xiàng)目主要利用山上風(fēng)能資源充足，依靠常年幾乎不間斷的風(fēng)力，吹動風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為社會所需電能，為附近區(qū)域提供電源支撐。計(jì)劃該風(fēng)電場總裝機(jī)容量為28.8MW，安裝24臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，根據(jù)《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，該項(xiàng)目選用表1所示的低壓直驅(qū)兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

表1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參數(shù)表

在該項(xiàng)目中，將這24臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分為2組，每一組的風(fēng)電機(jī)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(fēng)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(fēng)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(fēng)電場防雷接地性能十分看重，所以本文依托該項(xiàng)目來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的接地降阻措施的有效性。在進(jìn)行山地風(fēng)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(fēng)電機(jī)組點(diǎn)位的平均土壤電阻率，詳細(xì)結(jié)果如表2所示。

表2 風(fēng)電機(jī)組土壤電阻率實(shí)測表

如表2所示，在該風(fēng)電場中，計(jì)劃安裝的24臺風(fēng)電機(jī)組被劃分為2組，土壤電阻率處于0～1500Ω·m的11臺風(fēng)電機(jī)組按A型防雷接地網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，剩余13臺土壤電阻率處于1500～3000Ω·m的風(fēng)電機(jī)組按B型防雷接地網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中A型防雷接地網(wǎng)主要按1500Ω·m的土壤電阻率進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jìn)行降阻。B型防雷接地網(wǎng)主要按3000Ω·m的土壤電阻率進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jìn)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(fēng)電場土壤電阻率≤5000Ω·m時，接地電阻需要在4Ω以下才能認(rèn)為防雷接地設(shè)計(jì)合格，本章將通過計(jì)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(jì)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(jì)算方法，分別計(jì)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(fēng)電場防雷接地降阻設(shè)計(jì)要求。同理，分別計(jì)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(fēng)電場防雷接地降阻設(shè)計(jì)要求。綜上，本文根據(jù)山地風(fēng)電場的實(shí)際情況，為24臺風(fēng)電機(jī)組的防雷接地降阻提供了2種設(shè)計(jì)方案，無論是何種設(shè)計(jì)方案，在項(xiàng)目完成后均可以達(dá)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(fēng)電場防雷接地降阻設(shè)計(jì)是可行且可靠的。

6 結(jié)語

本文針對山地風(fēng)電場，深入研究了防雷接地降阻的設(shè)計(jì)，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(shí)例分析，證實(shí)了設(shè)計(jì)的防雷接地降阻方案的可靠性與合理性。由于我國開展風(fēng)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(fēng)電機(jī)組的雷擊特性，確定機(jī)組的損害機(jī)理與治理方法等。