高土壤電阻率地區風電機組接地工程設計

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）

高土壤電阻率地區風電機組接地工程設計

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）

本文針對接地工程中可能遇到的各種地質條件和工程問題，通過理論計算的方式給出了設計模型，對接地工程設計提出了一些看法。

風電機組；接地電阻；地電位反擊；共用接地系統

0 引言

隨著風力發電行業的快速發展，由接地問題導致的各種運行問題開始逐漸暴露。由于早期風電機組的接地沒有相應的行業和國家標準，導致風電機組的接地標準較為混亂，有些工程參照企業標準，有些參照電力行業相關標準，并且接地材料的選擇也存在問題[1]。本文針對高土壤電阻率地區的接地工程設計提出自己的一些看法。

1 風電機組的接地特點

風電機組的接地主要分為電源共用接地和防雷接地兩個部分。其中，電源共用接地主要是由于風電機組的供配電及傳輸制式決定的。目前，大多數風電機組的低壓端配電采用TN－C制式即三相四線系統，發電機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線與基礎鋼筋籠連接，實際成為NPE線[2]。

防雷接地既包括了基礎的部分，也包括了基礎之外增加的地網部分。一般的設計是在基礎上均布三條60×6的接地扁鋼作為防雷地線與基礎環連接，實際上將是作為電源N線地網的輔助和基礎地網面積的增加。從防雷角度而言是增加了地網面積，而在土壤電阻率一定的前提下，降低了工頻接地電阻。

2 接地工程設計

2.1 風電機組機位的接地電阻計算

由于機位所處的地質條件不同，所處的土壤電阻率也不同，所以全場機位的接地電阻設計應具備差異性，圖1顯示了不同機位的土壤電阻率，可以看出同一機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+機位的土壤電阻率的典型值分布，該機位表層土壤電阻率約為2300Ω·m；中層的土壤電阻率達到了3500Ω·m；而到了深層又降低到800Ω·m左右，對于該機位的接地電阻設計應采用不均勻土壤電阻率的接地公式計算。

當地質條件具有兩層電阻率結構時，其接地電阻為：

用式（1）與均勻電阻率的R進行比較，可計算等值電阻率[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。

由于實際工程計算時上下兩層土壤的電阻率存在變化，且范圍較大,不便于進行回歸，為此在計算時引入一個系數K，使等值土壤電阻率

這樣可以把變化率較大的ρα轉換在0和1之間的K值。當K=0時，有ρα=ρ1；當K=1時，ρα=ρ2。因此，對ρα的回歸可以簡化為對K值的回歸。

實際上，在雙層地質條件下水平地網的K值主要與兩層地網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、地網面積A及地網網格的密度M等多個因素的影響，可以表達為：

圖1 不同機位的土壤電阻率分布（者磨山風場基地電阻率抽樣）

Km是網格數m的函數，由Kmn和KmA組成，由以上公式即可以推導出簡化的雙層土壤電阻率條件下的地網接地電阻計算公式為：

當然，實際工程設計一般遇到類似于9+機位的情況都會采取換土的實際工藝進行降阻，而換土后接地電阻的理論計算實際也可以按照公式（12）推導出來。

2.2 公用接地條件下的交流地網中地線的熱穩定性計算

當機組的接地網與N線連接時，不考慮地線腐蝕的情況，其最小截面積應滿足下式的要求：

式中：

Sg—接地體的最小截面積，mm2；

Ig—流過地線上的預期短路最大電流值，A；

te—短路的等效持續時間，s；

c—接地材料的熱穩定系數。

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

2.3 地網中地線的最小截面積選擇

從考慮地網熱穩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接地線的截面積進行計算[4]。由于正常條件下對于交流地網及防雷地網而言是沒有大電流出現的，而只有在工頻對地短路及雷電流沖擊條件下接地扁鋼上才可能出現大電流，在地線上出現電流時接地扁鋼必然會產生熱量，根據絕熱過程寫出地線的熱平衡方程簡化公式：

式中：

Id：接地短路電流的穩定值， A；

td：短路等效時間，按照風電機組最大允許后備短路時間計算，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：集膚效應系數；

γ：接地扁鋼的比重 kg/m3；

C：接地扁鋼的熱比，J/℃。

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

2.4 在雷擊時相鄰機組的雷電流反擊

有資料建議風電場內的機位應全部連接成為一個超級的大地網，而由于相鄰機位的接地電阻無法達到等值的效果，并且根據實際的運行經驗，把接地電阻不等的相鄰機位的機組接地連接在一起，當受到雷擊時，較高接地電阻的機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位中接地電阻較低的機位[5]。

其中，Lt是機組塔筒的電感量，Ls為地網聯絡線并聯的等值電感，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，則通過塔筒流入大地的雷電流為：

其中β是塔筒的分流系數，即塔筒的電流與雷電流之比，此時機艙架上的電位為：

圖2 相鄰機位的雷擊地電流分布

圖3 雷擊機組時的等效電路

通過塔筒的分流系數可以通過圖3的等值電路求出。

即塔筒的分流系數除了與塔筒的電感量Lt基礎環接地的沖擊電阻Rch有關外，還與地網間的聯絡線電感Ls有關，Ls越大則β越大，流經塔筒的電流值就越大。在實際環境中，如果2#機組遭雷擊，很可能與其相連的1#會因為聯絡線中電流分量的增加而導致地電位反擊造成設備損壞，而3#則會因為流經聯絡線的沖擊電流分量小而免遭雷擊。因此也說明了風電機組在接地建設時要求獨立地網，而不是大面積的聯合地網的原因。表面理解大面積聯合地網有利于雷電流的散流，而實際情況是在沖擊電流和沖擊電阻的作用下，常態的扁鋼會產生較大的感抗分量，在沖擊電流下感抗分量會產生很高的反擊電動勢。

3 結論

本文對接地工程中可能遇到的幾種地質條件和工程問題通過理論計算的方式給出了設計模型。工程實際中會出現很多實際的問題，通過理論計算可以給出解決問題的思路與方向，但同時還需要結合多年積累的工程經驗來解決。由于風力發電行業沒有相關的行業標準，所以在機位接地的設計、施工、驗收等環節上還存在一定的不足，相信隨著行業逐步的發展，相應的規范也會日臻完善。

[1]莊嚴，李強. 青藏高原地區風力發電機組的雷電工程防護設計[J].風能, 2010(3):63-65.

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

[3]莊 嚴.東北淺層凍土工程結構設計[R].第六屆中國國際防雷論壇, 2007.

[4]胡玲, 郭衛東,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.青藏線雷電活動規律及電子設備雷害防護方法的研究[J].鐵道通信信號, 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，中級工程師，主要從事施工管理工作。