風電場大地網接地阻抗測試個例分析

盧志紅，張世謹，李冬梅

(1.廣東省河源市氣象局，廣東 河源 517000；2.貴州省黔南自治州氣象局，貴州 都勻 558000)

1 引言

隨著風力發電技術日益成熟，世界各國將發展風電作為應對氣候變化和提高可再生能源比重的重要舉措。十三五期間，廣東省規劃布局建設風電場址147個、總裝機容量約870萬千W(含2015年底前已核準項目50個，裝機容量290萬千W)，僅廣東河源市將建成東源岑田抽水蓄能電站、和平縣紫云嶂風電場、龍川大帽山風電場、河源電廠二期等項目。風電場布設環境特殊，接地都采用大型地網接地系統，當前國內許多雷電技術研究學者們將不同地理環境下大型地網設計及其接地阻抗測試方法等做為研究的重要內容。如張爭等對異頻測試抗干擾技術優越性進行了分析[1]；王亞平通過建立準確電路模型和數字計算模型，通過無線傳輸測試電流、GPS定位裝置固定輔助接地極，分析不拆避雷線進行大地網接地阻抗準確測量的方法及運行狀態診斷方法，得出不拆避雷線測出的接地阻抗值要比實際值小15%～20%的結論[2]；葉平等研究分析了大型地網接地電阻測試的內容和方法，并進行了誤差分析[3]。但這些研究大多是對測試方法原理和數據處理上的分析，缺少系統的直接指導如何開展大地網接地阻抗測試的研究。

風電場為獲得較高風速實現風力發電，多建于山頂或山脊，特殊的地理環境大大提高了地網設計、施工和檢測的難度。本文對一面處于懸崖且現場有高壓線的風電場大地網接地阻抗測試處理過程和測試方法進行了詳細的分析，以期為復雜多樣的高山風電場開展大地網檢測工作提供技術參考。

2 蟬子頂風電場大地網概況

國電電力東源蟬子頂風電場工程地理坐標介于114°50′～114°56′E之間，23°56′～23°58′N之間，四周皆為山地，面積為12.4 km2，海拔高度在700～1 100 m之間，平均土壤電阻率為1 795.38。裝機規模為49.5 MW，共擁有33臺1 500 kW風力發電機組，110 kV升壓站一座。由于風機都裝在高山上，地網敷設難度大，為滿足接地要求，又相對方便于施工，采取同一座山或臨近的幾臺風塔共用一個大地網的接地方式。

3 接地阻抗測試方法選擇分析

蟬子頂風電場風機基本沿著東西走向設立，為避免高壓線和風機塔本身對接地阻抗測試的干擾，理論上測試現場接地線敷設應盡量沿著南北兩個方向。但由于北邊是懸崖，現場只能考慮從南偏西的方向布線。因項目地形復雜、土壤不均勻，測試設備有限，選擇了四極—異頻—夾角—補償相結合的測試方法，消除各種因素引起的誤差。同時，選擇干燥季節，避開避雷線、地下管線、輸電線的情況下進行現場測試。

4 風電場大地網實驗測試及分析

4.1 測試設備及測試參數

風電場地網面積大，常規電阻檢測設備電流小，不適合用到大型地網接地阻抗測試，根據廠房提供測試參數要求，建議采用不小于3 A電流進行測試。本次實驗測試選用(型號：SKY-2013)大型地網接地阻抗測試儀，測試電流有0.2 A、0.5 A、1 A、2 A、3 A 5個檔次。因附近有風電場箱變，為消除零序電流的影響，測試過程中選擇測試電流3 A，頻率分別選擇45 Hz和55 Hz，選取25號風塔、27號風塔和31號風塔為實驗點。

4.2 測試誤差隨接地極夾角變化實驗分析

采用異頻—夾角—等距相結合的測試方法，將儀器與地極布置成dGC=dGP夾角形狀，進行實驗測試。采集數據如下表1：

表1 接地阻抗現場測試值Tab.1 Ground Impedance Field Test Value

由表1可以看出，當電壓線接地長度與電流線接地長度相等為2D時，接地阻抗值隨電流線與電壓線的夾角變大而變小，在夾角30°左右時接近設計實際電阻值。

表2 夾角θ改變的測量誤差Tab.2 Measurement error of angle θ change

由上述分析和表2看出，隨著布線角度不斷改變，接地網的測試電阻誤差率在夾角θ=30°的兩邊呈曲線上升態勢。當布線夾角θ<30°時，測試電阻比設計阻抗大；布線夾角θ接近30°時，測試電阻與設計阻抗基本相同；當夾角θ>30°時，測試電阻比設計阻抗小。

4.3 布線位置α值、布線長度均改變的誤差實驗分析

針對蟬子頂風電場土壤層有改變，電阻率變化大問題，現場進行了改變接地極布線位置的測試實驗。測試過程中增大電流極與被測接地裝置之間的距離，讓電壓極與被測接地裝置之間的距離也相應的增大。

采用異頻—夾角θ=30°測試方法，改變dGP和dGC長度進行現場測試，采集數據如表3：

表3 接地阻抗現場測試值Tab.3 Ground impedance field test value

由于電流極dGC=D時，地極布線還在地網區，干擾大，理論上偏理實際值大，所以此次不分析dGC=D數據，測試數據分析如圖1。

由表4畫出變化曲線圖如下：

圖1 測試誤差隨布線位置α值變化曲線圖Fig.1 Curve of test error as a function of wiring position α

由圖1可看出，當電壓極布線長度與電流極布線長度比值α接近0.6時，測量誤差趨于零，當遠離0.6時，測量誤差δ隨dGC的增大而減少。

4.4 布線長度、夾角θ均改變的誤差實驗分析

選擇四極—異頻結合的測試方法，將儀器與布線設置成dGC=dGP形狀，同時改變布線長度與夾角θ進行測試。通過測試值，分析不同的dGC與θ值的測量誤差。

由表4分析數據可看到，在θ=30°時，測量誤差接近零，測量誤差δ隨dGC的增大而減少。當θ在25°與35°之間時，測量誤差δ隨dGP和dGC增大明顯變小。

表4 布線長度、夾角θ改變的測量誤差 (單位：%)

5 誤差來源及消除分析

5.1 誤差來源

根據大型地網接地阻抗測試方法原理、接地阻抗值變化因素，可以看出測量誤差的來源主要有測試方法、電壓干擾、高頻干擾、接地裝置的零序電流和測量引線間的互感等幾個方面。而由測試方法引起的誤差主要包括測試地極的位置選擇、使用的測量儀器以及選擇的測試電流大小3個方面。

5.2 消除誤差方法

①在現場測量中，因地形復雜、土壤不均勻或地質有突變，想取得更為準確地確定“零電位區”，無論是0.618直線補償法或是30°夾角補償法，其布線方向應盡可能的向土壤比較均勻的方向放測量線，避免向土壤不均勻或地質有突變的方向測量。

②在實際測試中，可以采用使用高內阻、增大電流引線截面積、并聯電容、增大測試電流、倒相法、三相電源、暫時斷開中性線、四極法、異頻法等方法手段消除各種因素引起的誤差，各種方法互相聯系、相輔相成。

③在實驗研究過程中發現，避雷線、地下管線、輸電線等對接地阻抗測試值也有不同程度的影響，會使測試值偏小，應盡可能避開。另外，土壤電阻率對測量結果有明顯影響，導則規定接地裝置測試應盡量在干燥季節，測量不應在雷雨后立即進行。

6 測試注意事項

①出發現場前檢查設備工具是否帶齊全，是否準備勞保裝備。

②在實際測試工作中，要對大型地網周圍進行詳細的勘查，盡量避開信號干擾源、建筑物、湖泊等以減少測量結果的誤差。

③為使得測試順利進行，測試前先用萬用表檢查測試導線與地極的接觸點是否完好，線路是否有斷開。

④布線時要注意線路是否有交叉，是否拉直，是否與周圍管線形成回路。

⑤進行測試工作時要注意工作人員的自身安全，使用儀器時請勿觸摸面板接線端子以及引線的裸露部分。

7 結論

本文通過實例對大型地網接地阻抗測試技術進行了分析，得出結論：

①由于大型地網面積大，四周環境復雜，各種信號干擾大。開展現場測試前，做好測試方案，根據現有測試儀器和測試條件選定測試方法。同時，盡量使用操作簡單且抗干擾能力強的儀器。

②實驗證明，大型地網接地阻抗測試接地極布線采用0.618測試方法、30°夾角測試法是相當科學的。

③接地阻抗測量誤差主要由測試方法、信號干擾、接地裝置的零序電流和測量引線間互感、避雷線、電力線等方面引起，可采用高內阻、增大電流引線截面積、并聯電容、增大測試電流、倒相法、三相電源、暫時斷開中性線、四極法、異頻法等方法手段消除。

④由測試方法引起的誤差主要包括測試地極的位置選擇、使用的測量儀表以及測試電流的大小3個方面。實踐證明，這些誤差可以在測試過程中直接避免或減小。