風力發電系統的防雷設計

摘 要：防雷接地裝置為風力發電機系統安全運行提供了重要保障，文章分析了風機防雷接地的措施，根據不同季節因素對接地電阻率進行了區分。經過校驗，確定方案中所選的材料滿足熱穩定性、腐蝕性的要求，由于土壤電阻率過高，所以為了使設計得以滿足，從而選取了細土與降阻劑按1：8的比例回填土方法，使得接地電阻值達到要求的范圍。

關鍵詞：雷電危害；接地電阻；接地方案；降阻

近年來，隨著單機容量的增加，風力發電機的塔架建造得越來越高，因此風力發電機遭受雷擊的幾率也比過去增加了許多，大力發展防雷保護技術，如何使風力機在遭受雷擊時，使受損的可能性降到最小，成為很重要的課題[1]。

1 雷電危害及其防護措施

（1）雷電的危害。雷電會帶來嚴重的危害，就其破壞因素來說，主要來自電效應、熱效應和機械效應三個方面。

（2）防雷系統。防雷接地電纜布局：共2根接地引下電纜。葉片防雷：240平橡套電纜一根，直接從主軸滑環引入塔筒地基的2個相鄰接地點。機艙防雷及PE：240平橡套電纜一根，直接從主軸滑環引入塔筒地基的其余的2個相鄰接地點。

2 雙饋異步風力發電機系統接地

風力發電基本原理是：風機葉片在風力的作用下旋轉，并通過傳動軸和變速箱帶動發電機旋轉產生電，然后經過變壓、調頻等，再通過電纜送到外部電網。風力發電機系統接地由幾大部分組成。

2.1 輪轂和葉片部分

負責吸收風能，產生轉動的動力。一般葉片由復合材料制成，重量輕，有接雷器及疏雷導體，直接接觸雷云。

2.2 機艙部分

內置變速箱、發電機組、和發電機電氣控制箱部分。電氣部分控制發電機的轉動，偏航對風，緊急情況下的剎車等，有風速儀架防雷、機艙PE 接地防雷。

2.3 塔筒和地基部分

塔筒為機艙、葉片等提供支撐，同時也是電纜走線和維修調試人員的通道，塔底開關柜控制電力的輸入和輸出。地基接地為圓周均勻布局4根（點）380平鍍鋅母排，接地電阻4到10歐姆，另外可以設置直流接地1歐姆單獨接地點，為控制系統單獨接地抗干擾。

3 風力發電接地系統設計

3.1 季節因素對土壤電阻率影響

接地系統的電氣參數決定于所處的土壤情況。而季節因素將改變土壤的電阻率。在雨季，風電場接地系統所處的土壤，由于雨水的滲入，地表一層土壤的電阻率將比干燥時降低很多倍。而冬季對土壤的冰凍作用將導致土壤地表層的電阻率明顯升高。對土壤電阻率為200Ω·m的均質土壤進行研究，結果是一年內表層土壤的電阻率在10-5000Ω·m的范圍內變化。因此正確的處理方法是將考慮季節影響的表層土壤和下層未受季節影響的土壤處理為雙層土壤，通過數值計算來分析季節因素對季節系數的影響。考慮到測量的最小深度為10米，可以不考慮季節系數的影響，該值可作為設計用值。

3.2 風機及箱變接地系統的雷電沖擊特性

3.2.1 沖擊接地電阻

（1）降低沖擊接地電阻的意義。在沖擊電流作用下，接地裝置的阻抗為暫態阻抗，隨時間而發生變化。一般將沖擊電壓的最大值與沖擊電流的最大值之比定義為沖擊接地電阻。

風機槳葉頂端避雷片的暫態電位與沖擊接地電阻Ri密切相關。在其他因素一定時，沖擊接地電阻Ri越小，避雷片位置的暫態電位也就越小，發生雷電閃絡的概率也就越低。同時，降低沖擊接地電阻Ri，不但能降低槳葉頂端避雷片的最大暫態電位，也能有效減少暫態電位的持續時間，這對提高風機槳葉防雷水平、降低箱變地電位反擊風險、減少對通信、測量系統的電磁干擾非常有利。

（2）土壤電阻率對沖擊接地電阻的影響。土壤電阻率對沖擊電流作用下接地網的暫態性能有很大的影響。隨著土壤電阻率的增加，沖擊接地電阻也相應增加，但當土壤電阻率較高時，根據E=？籽J，在相同的電流密度J下，接地網周圍的場強E隨電阻率？籽的增加而增加較多，土壤的擊穿厚度也相應增加，使得土壤擊穿引起的火花效應明顯增強，相應使得沖擊電阻受電阻率的影響減弱。因此，此時沖擊電阻隨土壤電阻率增加而增加的速度減弱，并有飽和的趨勢。

3.2.2 降低沖擊接地電阻的措施

在工頻時接地網的地電位升決定于接地網格的面積，而與接地網水平導體間距沒有太大關系。而當接地網導體間距小于一定值并逐漸減小時，接地網的沖擊阻抗將急劇減小，這時因為在接地網的有效面積內的導體間距將對接地網的沖擊阻抗產生很大影響。

所以，若考慮降低風機及箱變接地裝置的沖擊電阻、減小雷擊時所產生的電磁干擾，單純擴大接地網的面積很難取得良好效果，相對來說，在風機附近增加接地網的導體根數則更為有效，或者在風機附近增設幾根垂直接地極也將明顯改善接地系統的防雷性能。

4 降阻措施

4.1 天然導電黏土性能

天然導電黏土是多年前的火山活動形成的，屬于雙面硅氧四面體夾鋁氧八面體層狀結構，因其晶格的電負性而在層間吸附鈉離子、鎂離子、鈣離子而使其有良好導電性，原礦電阻率小于12歐姆米，按10-30%提純比例生產后成品電阻率可達7歐姆米，無腐蝕且穩定。

4.1.1 A型天然導電土。產品特性：純天然高導電土提純，原土土壤電阻率？籽<12歐姆米，提純率10%，對金屬無腐蝕、對環境無污染，具有一定保水性能、膠凝性能、粘度。施工方法：a、水溶液膠狀灌注或包覆接地極。b、與工地巖土摻混使用，摻混比例1：5～20。功效：降低接地極接觸電阻及附近散流電阻，延長金屬接地體使用壽命。

4.1.2 B型天然導電土。產品特性：純天然高導電土提純，原土土壤電阻率？籽<12歐姆米，提純率20%-50%，對金屬無腐蝕、對環境無污染，具有一定保水性能、粘度。施工方法：與工地巖土摻混使用，摻混比例1：5～20。功效：降低接地極接觸電阻及附近散流電阻，延長金屬接地體使用壽命。

4.2 天然導電黏土的降阻穩定性能

大多數土壤具有足夠的潮氣，因此天然導電黏土電極不可能變干。天然導電黏土的吸水性將維持其性能基本保持不變。在特別干的環境中，天然導電黏土可能效果較差，因為天然導電黏土將收縮，增加電極接地電阻。因此在安地深接地體施工中，天然導電黏土直接包裹電極使用；而在耙式地線施工中，因為淺層土壤含水量經常變化，則采取將天然導電黏土與細土摻混后回填在接地體周圍的工藝，而不會影響在干旱季節時水平接地線與土壤的接觸電阻，反而因其有從周圍環境中吸收潮氣的能力，能夠保證土壤的潮濕度而穩定土壤電阻率，也就能夠穩定耙式地線的接地電阻。

4.3 降阻方案設計

5 結束語

文章主要研究如何降低風機的接地電阻，由于風機的成本、維修費用都非常高，所以研究風機的接地電阻是非常重要的。結合風電場不同地質環境，如土質、雨水等因素，經過相關計算，校驗方案中所選的材料滿足熱穩定性、腐蝕性的要求，使接地電阻值達到要求的范圍。

參考文獻

[1]王承煦，張源.風力發電[M].北京：中國電力出版社，2011：71-73.

[2]張小青.風電機組防雷與接地[M].北京：中國電力出版社，2009：27-69.

[3]周澤存，沈其工，王大忠.高電壓技術[M].北京：中國電力出版社，2007：242-261.

[4]李景祿，胡毅，劉春生.電力接地技術[M].北京：中國電力出版社，2001：1-45.