山區風電場風機接地設計探討

詹帆

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

國際的能源隨著經濟的快速發展而不斷消耗，環境也遭到了嚴重的破壞，自然災害的增多嚴重威脅到人們的生命財產安全，低碳經濟以及環保已成為更多行業需要堅守的原則，也是行業可持續發展的前提，風力發電行業也不例外。風能作為新能源，具有清潔、可再生、利用方便等多種優點，是各國利用的重點能源，我國的風力發電事業也得到發展，在新的階段得到進一步發展。我國風能發電的范圍廣泛：南方的風電場主要設置在丘陵和山區，在新疆、內蒙古、河北和東北地區的高原和戈壁地區，由于風力資源豐富成為北方風電場設置地，將來的風電場的發展方向是海上或者沿海風電場。風電場所在位置的特點是：場地廣闊、風力資源豐富，所以主要會受到雷電的侵襲，在進行設計時，要重點考慮風力發電機本身的防雷系數，才能更好地進行山區風力發電機組的接地設計工作。

1 山區風機接地設計的特點

風機接地設計具有其自身的設計特點。通過掌握山區風電場風機接地設計的特點，才能更好地進行研究工作，為遇到的問題提出針對性的解決方案。

1.1 風機所在環境為高雷暴環境

在山區設置風電場的風機時，會提前勘測位置，尋找風力資源豐富且較為廣闊的地區，使風機吊裝平臺面積的最大程度達到最大。而山區的海拔較高，在多雷區和強雷區的中南部山區，風電在高雷暴的大環境下遭受雷擊的機率較高。風電機組本身與避雷針所起的引雷效應，也直接增加了風電場受到雷擊的危害。進行山區風電場風機接地設計時，要重點關注雷暴環境的危害，通過設計避雷裝置，減少雷暴天氣對風電場風機的損耗，降低造價成本與維修費用。

1.2 土壤電阻率較高，土壤電阻率不均勻

山包或者山脊是山區風電場風機布置的主要地點。山包或者山脊的土壤電阻率高的主要原因是，其表層的土壤主要由薄層的強化風化巖石所構成，而下層的主要由中風化甚至是弱風化巖石構成，這些巖石的整體的電阻率，都比一般的巖石組成要高。并且山區的地形差別較大，對于不同的山區，甚至同一山區的不同地理位置的巖石結構都不同，地質結構千差萬別，土壤的電阻率高低不同，土壤電阻率在不同的方位會有較大差距。

1.3 風力發電機組吊裝平臺的面積有限，接地網的實施面積受限

在2500m2的吊裝平臺內設置2MW風機，雖然接地設計在平整的吊裝平臺進行會比較簡易，但是接地電阻的數值難以在有限的風力發電機組吊裝平臺面積內達到國家規范的要求，接地網的實施面積也因此受到限制，不利于工作的順利開展。

1.4 交通不便

山區的位置較為偏遠，交通不便，進場道路和內部道路都較為彎曲和漫長崎嶇，在運輸施工材料時會面臨許多因交通不便帶來的問題。運輸的距離較長，也直接增加了施工的成本，是山區風電場風機接地設計的主要成本來源。常規的接地問題的解決，也會因為山區的交通不便而不能及時解決，甚至可能帶來更加嚴重的問題，不利于山區風電場風機接地設計工作的主要障礙。

2 接地系統設計

山區風電場風電機組中容易出現接地電阻不能滿足要求的情況，只有及時進行整改，才能達到規范完成接地設計的工作。其中最主要有加降阻劑、換土方式和聯手方式這3種解決方案。

2.1 采用加降阻劑的方法

降阻劑的作用途經是在進行山區風電場風機接地裝置施工時加降阻劑，降阻劑被加入基坑內，高效凝膠接地降阻劑中的離子導電顆粒包圍著接地的周圍，在基巖和風化巖的基礎土壤中發生樹根效應，達到保水、保濕和降低沖擊接地電阻的作用，基地極和土壤的接觸電阻率隨著接地體的散流面積的增肌而減少。加降阻劑適用于土壤含水率由于常年不下雨二極低的地區，降阻效果在該種地區具有非常明顯的效果。

2.2 換土方式

一般山區的土壤是風化巖石，土壤層也比較薄弱，在風電場風機附近一定范圍內有粘土的地方適用換土方式，也就是用粘土或者黑土替換風化巖石或者沙土。通過將電阻率高的土壤替換為電阻率低的土壤是最原始和常用的方式，降低電阻的效果也較為明顯，這種方式適合周圍有粘土或者黑土的地區，如果需要通過交通工具運輸土壤來完成換土則增加了設置成本，將不予采納。

2.3 聯手方式

除了加降阻劑和換土，聯手方式也是一種降低電阻的方式，這種方式較前兩種方式而言開挖的工程量大，接地導體多也直接增加了施工的成本，一般來說較少采用。聯手方式主要是通過開挖，通過幾點來將附近幾個不滿足電阻條件的風機的接地網進行連接，將幾個小的接地網連成一個大的接地網，等電體是由不滿足電阻要求的風機組成，位置較好的接地點是降低接地電阻的主要方式。使用該種方式可以同步敷設電纜來降低工程量大的成本，在集電線路是直埋電纜的前提下。

2.4 深井接地技術降阻

土壤的電阻率受到地形變化以及各種因素的影響，不同的方位的數據都不同，橫向和縱向分布都會有差距，分布難以均勻。深井接地技術是一種垂直接地體，是指通過深井鉆孔，將垂直接地極放入鉆孔中，再使用天然防腐導電黏土和水組成的泥漿等低電阻率的回填材料填充縫隙，達到降低電阻率的效果。深井接地技術不受氣候和季節條件等的限制，夏季干旱和冬季寒冷都不會對低電阻區域產生影響，是增加電極通流、降低電阻率的重要途徑。

3 接地裝置的防腐設計

接地裝置長期深埋地下，裝置的土壤介質和電化隨著時間的增加容易發生化學反應，直接會導致接地體受到腐蝕，接地體受到腐蝕會導致電氣設備遭受雷擊。每年接地裝置受到腐蝕的數量不計其數，接地網受到嚴重的損害，無形之中增加了電力系統工作人員的危險系數。接地裝置的防腐設計是保障電力系統正常運行和作業人員人身安全的重要途徑，是山區風電場風電機接地設計中應當解決的重點問題。防腐手段根據土壤腐蝕的特點不同而主要有兩種。

（1）在施工時用粘土作為天然防腐的原材料包裹著接地極，使接地極與周圍的土壤進行隔絕，直接組織了這周圍的土壤發生化學反應腐蝕接地網。

（2）防止接地網受到化學腐蝕的主要方式是使用電解質防腐接地包。電解質防腐接地包是補充導電離子的工具，具體的特性是包內的主要材料的吸水性和吸附力都極高，促進離子交換，使電極周圍的土壤的電阻率直接得到改善，接觸電阻減少、電極單元增大與土壤的接觸面積直接防止接地體受到化學的腐蝕。

4 工頻接地電阻和沖擊接地電阻的區別

上文所說的接地電阻是自低頻、低電流密度的情況下測得的，是工頻接地電阻，該電阻的數值是用穩態公式計算得出，因而數值較為穩定，數值一般小于10Ω；沖擊接地電阻是在雷電流強烈沖擊下所產生，穩定的接地電阻受到影響，發生較大的變化，在雷電流幾萬甚至幾十萬安的沖擊波下，土壤的電阻系數隨著接地裝置電流密度的增加而減少，沖擊接地電阻小于工頻接地電阻。

5 結語

綜上所述，山區風電場接地設計需要考慮到很多問題，不是簡單的設計問題。設計單位需要檢測現場的土壤的電阻率，在此基礎上設計合理的設計方案，施工單位按照設計方案進行施工，根據具體的施工情況與設計單位密切配合。控測量是設計要求的一個重要方向，需要嚴格進行把控，并進行驗收，規范測量，滿足設計的要求。在計算土壤的電阻率時，要考慮到季節的變化和地形地貌的影響，進行綜合分析。