沿海山地復雜地質條件下風機接地網的施工管理

（福建省福能新能源有限責任公司 福建莆田 351146）

0 引言

眾所周知，風機地網在風機運行中起著重要作用，例如泄放雷電流和工頻故障電流、作為保護和工作接地等，因此風機地網的接地電阻值是否長期、穩定的滿足要求（如小于4 Ω），是決定風機或風電場安全運行的重要指標。然而沿海地區風電場條件復雜，由于其所處地理位置和地質結構，導致風機所在地的土壤電阻率較高，常規的地網設計和施工方法難以滿足風機對接地電阻值的要求，故在地網的設計和施工中往往會采用一些降低地網電阻的方法，如加大外引地網的尺寸和采用降阻技術（回填低電阻率材料）等。

當風機地網采用了降阻技術后，從施工質量管理而言，會發生許多理念、依據、方法、手段上的變化。為了確保風機地網接地電阻值長期、穩定地滿足技術要求，保障風機安全生產，提高風機發電的經濟效益，有必要對沿海山地復雜條件風機地網施工管理的變化和注意的問題進行分析與探討。

1 沿海山地復雜地質條件風機地網的特點

1.1 風機處于高雷區環境

為了獲得良好的風力發電條件，沿海山地風電場的風機通常建設在山頂或山脊上，地形波狀起伏。因海拔較高，且每年6、7、8三個月為雷電多發時期，風電場處在多雷區或強雷區，風機葉片和機組本身都產生引雷效應，增加了風機因雷電侵害而導致生產事故的幾率，所以風機接地網的接地電阻值、特別是沖擊接地電阻值達標與否直接影響著風電場的安全生產和經濟效益。

1.2 土壤電阻率高且差異大

沿海山地的工程地質主要由表層土壤薄層和全風化、強風化巖體所構成，而下層主要由中風化到部分弱風化巖石構成，這些巖石的整體的電阻率都比一般的巖石組成要高。場地內地層含大量砂及塊石、孤石，不同的片區甚至同一片區不同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異。

1.3 土壤的腐蝕性高

由于風機建設在沿海的山頂或山脊上，海洋氣候會導致空氣和雨水中的含鹽量較高，對接地材料（如鋼材）會有較強的腐蝕性，從而降低風機地網的使用壽命。

1.4 風機地網的物理尺寸較大

風機地網通常由基礎環形地網和外引地網組成 （如圖1所示）。由于所處地域的土壤電阻率較高（通常為幾千甚至上萬Ω·m），為了實現風機地網工頻接地電阻小于4 Ω的要求，在地網設計和施工中往往會采用增加外引水平地網長度的方法來降低地網的工頻接地電阻電阻值。由于外引水平地網較長（通常為幾十至幾百米），導致風機地網的最大物理尺寸（如圖1中的D）可達幾百米，尺寸較大。

2 地網的降阻原理

2.1 地網接地電阻計算

地網通常是由環形、垂直和水平接地極構成，從《電力系統接地技術》[1]和《交流電氣裝置的接地設計規范》[2]中可知，各種接地極的電阻值計算公式如下：

（1）垂直接地極

式中：R為垂直接地極的接地電阻值，Ω；ρ為土壤電阻率，Ω·m；L為垂直接地極的長度，m；d為垂直接地極的直徑，m。如圖2所示。

（2）水平接地極

式中：R為水平接地極的接地電阻值，Ω；ρ為土壤電阻率，Ω·m；L為水平接地極的長度，m；d為水平接地極的直徑，m；h為水平接的埋深，m；A為形狀系數，可查表得到。如圖3所示。

（3）環形接地極

式中：R為環形接地極的接地電阻值，Ω；ρ為土壤電阻率，Ω·m；S 為環形地極的（占地）面積，m2。

（4）地網

當地網是由垂直、水平和環形接地極組成，并且它們的接地電阻分別記為R1、R2和R3時，地網的接地電阻R總的計算公式為：

式中：η為利用系數，可根據各接地極間的組合形狀查表得到。

2.2 降阻原理及接地電阻計算

2.2.1 降阻原理

一般來講，接地極（或裝置）的接地電阻主要由接地極與土壤的接觸電阻RC和土壤的散流電阻RD組成，即：

當接地極的表面積有限、土壤的顆粒較大（呈點接觸）時，土壤與接地極的接觸面積是有限的且遠小于接地極表面積的，土壤與接地極間的接觸電阻會很大，散流會很困難，接地電阻也就會很大。

分析式（1）、（2）和（3），我們可以看出，接地電阻的大小，與接地極的大小（長度、直徑、面積）成負相關，與土壤電阻率成正相關，所以下列方法可以降低接地電阻：

（1）增大接地極的幾何尺寸；

（2）降低接地極附近的土壤電阻率；常用方法是在接地極附近施加顆粒細膩、電阻率較低回填材料，以達到降低散流電阻或接地電阻值的目的。

2.2.2 采用降阻技術的接地極接地電阻計算

《配電線路雷電防護》[1]中給出采用建筑技術接地極的接地電阻計算公式：

（1）垂直接地極

式中：ρ為土壤電阻率，Ω·m；ρ1為回填的低電阻率材料區域的土壤電阻率，Ω·m；L為垂直接地極的長度，m；d為垂直接地極的直徑，m；d1為回填的低電阻率材料區域的直徑（或等效直徑），m。如圖4所示。

當 d<

（2）水平接地極

式中：R為水平接地極的接地電阻值，Ω；ρ為土壤電阻率，Ω·m；ρ1為回填的低電阻率材料區域的土壤電阻率，Ω·m；L為水平接地極的長度，m；d為水平接地極的直徑，m；d1為水平接地極附近回填的低電阻率材料區域的直徑 （或等效直徑），m；h為水平接的埋深，m。如圖5所示。

當 d<

對比式（1）、（7）和式（2）、（9）可發現，采用降阻技術后，接地極的接地電阻計算基本相同，只是將原有的接地極直徑d變為了d1，即增大了接地極的體積或尺寸。所以說，降阻技術或降阻接地極就是通過增加接地極的尺寸來實現降阻的，而降阻技術與接地極本身的材質（銅、鐵、金等）基本無關，僅與回填材料的電阻率、尺寸大小相關。

3 施工管理中應注意的幾個問題

采用降阻技術的接地極（或地網）與傳統的接地極（或地網）的最大區別在于，在接地極附近回填了低電阻率的材料。伴隨著在風機地網設計和施工中采用了降阻技術，采用降阻技術的地網施工中應該特別注意以下5個問題。

3.1 接地極敷設溝槽的尺寸

從式（7）、（9）中可知，決定地網降阻效果的主要因素之一為回填材料的直徑（或等效直徑），由于施工中是在接地極敷設的回填溝槽中置入低電阻率回填材料，所以在采用降阻技術的接地極（網）施工管理中應特別關注接地極敷設溝槽的開挖尺寸是否達到設計要求，以保證接地電阻能滿足設計要求。

3.2 回填材料的土壤電阻率

從降阻原理的分析中可知，只有當回填材料的土壤電阻率ρ1遠小于風機所在區域的土壤電阻率ρ時，式（7）和式（9）才成立，所以為了保證施工結果能達到設計、計算的要求，在采用降阻技術的接地極（網）施工管理中應特別關注、檢驗回填材料的土壤電阻率和顆粒粗細程度是否達到設計要求。

3.3 接地極的使用壽命

一方面在采用技術的接地極（網）的施工中會大量采用低電阻率的回填材料，而為了降低回填材料電阻率，生產企業往往會在回填材料中添加各種酸、堿離子的導電材料（如工業鹽等），這些酸、堿離子在雨水的作用下，會對接地極的材料形成強腐蝕作用，從而降低接地極（網）使用壽命；另一方面風機地處沿海山地，海洋性氣候導致雨水中含鹽量較高，含鹽量較高的雨水浸入接地極附近后會加快接地極的腐蝕速度，降低接地極（網）使用壽命。為了保證接地極（網）使用年限，應特別關注3個方面的問題。

（1）接地材料的尺寸與防腐性能。接地材料的腐蝕率是與其材質相關的，并按照每年的腐蝕量來計算的，在相同的腐蝕率下，增大或確保接地極的尺寸是保障其使用壽命的一種途徑，所以在接地極（網）的施工管理應特別關注、檢驗接地極的材質和外形尺寸是否達到設計要求。為了提高接地極的防腐能力和使用壽命，通常在接地極的表面會涂覆防腐層（如鋼材的鍍鋅層），防腐層的厚度也決定了接地極的使用壽命，所以在接地極（網）的施工管理應特別關注、檢驗接地極涂層的材質和厚度尺寸是否達到設計要求。

（2）焊接與防腐處理工藝。接地極的焊接和防腐處理工藝原本就是地網施工管理中應嚴格把控的項目，它是決定地網使用壽命的關鍵一環。由于低電阻率回填材料的應用，接地極處在了一個腐蝕更高的環境之中，要加強對焊接和防腐施工的質量管理。

（3）低電阻率材料的pH值。在低電阻率回填料的生產中，企業往往會在材料中添加一些酸、堿離子，增加回填料的腐蝕性程度。為了保障接地極（網）的使用壽命，施工管理中應該用pH試紙測試低電阻率回填材料的酸、堿度，確保達到設計要求，如設計無要求時，應拒絕使用pH值大于8或小于6的低電阻率回填材料。

3.4 風機地網接地電阻值的測量

檢驗風機地網接地電阻是否能滿足運行要求的唯一辦法就是測量，接地電阻的測量法參考 《電力系統接地技術》[1]和《接地裝置特性參數測量導則》[4]。

風機地網的理想測試布線方式如圖6所示，藍色圓點分別表示電流極C和電壓極P的位置，地網的測試點為G；C至G間連線記為電流測試線，其長度為dGC；P至G間連線記為電壓測試線，其長度為dGP；P至C間距離記為dPC；D為地網的最大物理尺寸；電流測試線和電壓測試線的夾角為30°；dGC和dGP長度均為2D。

然而由于山區的風機和道路多建于山頂或山脊之上，道路兩邊通常為峭壁或陡坡，所以在道路兩邊布置測試線的方法難以實施，從而通常只能采用直線測量法來測量，并沿道路來敷設測試線。

當在山區風機地網采用直線法來測量接地電阻時，常常會發生以下幾個問題，值得大家關注并在管理工作中予以避免或糾正。

（1）采用固定長度的電流和電壓測試導線?，F場測量中測試人員用接地測試儀所配置的固定長度測試導線 （如電流線長度/電壓線長度分別為40/20 m、60/30 m或100/50 m等）來對不同的風機地網進行測試（如圖7所示），采用直線法測量的前提條件是C（電流極）、P（電壓極）和G（地網中心測試點）三點應成一線，且滿足以下公式：

由此可見，當山區風機地網的外引地網較大 （50 m以上）時，地網D會大于100 m，從而采用固定長度測試線的測量方法是不滿足式（10）的要求（圖6），其測量結果是不可信和無效的。

（2）用測試導線的長度替代dGC和dGP.現場測量中，測試人員查看了地網竣工圖，也計算得知了風機地網的最大物理尺寸D，但卻用電流極測試導線的長度為4.5D和電壓極測試導線長度為0.618倍電流極測試導線長度的辦法來進行布線測量，如圖8所示。由于山路彎曲的原因，此時dGC遠小于電流極測試線的長度，即不能滿足式（10）的要求；同時dGC和dGP也難以保證式（11）的關系；故這種測量方法是不滿足技術要求的，其測試結果是不可信和無效的。

（3）電流極與電壓極的測試導線間距太小?，F場測試中，檢測人員為了放線和收線的方便，往往會將電流極和電壓極的測試線沿道路的一邊布置，導致兩導線的間距很小，電流導線和電壓導線間會形成互感效應，從而影響測試結果的準確性。通常兩線的間距越小或并行的距離越長，測量結果的準確性就越差，為了降低這種測量誤差，在管理中可要求測試人員將電流和電壓測試導線分別敷設在道路的兩邊，并且盡量保證其間距在5 m以上。

（4）不完全滿足直線法布線要求時的解決辦法。現實中，在山區風機地網周邊尋找到完全滿足直線法要求的布線方案是很難的，所以在可以在滿足式（10）和式（11）的前提下適當放寬“三點成一線”條件來設計布線方案（如圖8），通過測量和修正計算得出真實的風機地網接地電阻值。修正公式如下：

式中：R為風機地網接地電阻值，Ω；R′為地網接地電阻的測量值，Ω。

3.5 風機地網的運行維護

由于風機地網在施工中采用了降阻技術，即在接地極附近回填料一定量的低電阻率材料，增加了接地極的尺寸，降低了接地極（網）的接地電阻值；隨著時間的推移以及地質地貌的變化，回填材料中的導電粒子會因雨水的不斷沖釋而逐漸流失，電阻率會逐漸升高，從而有可能會導致風機地網的接地電阻值不能滿足4 Ω的要求。

為了保證風機的運行安全，每年對風機地網進行一次地網接地電阻值和導通性的測試，每次檢測都應進行登記備查，發現不滿足電阻率標準的風機應及時上報生產部門安排專業施工單位進行修復，避免風機設備安全運行遭受雷擊影響。

4 結語

在沿海山地復雜地質條件風電場建設中，雖然因地理、地質和氣候條件的原因，致使風機地網的設計、施工與內陸地區或潮間帶等其它地區存在較大的變化，但是只要能針對風機地網設計、施工的特殊性，找出解決影響施工質量關鍵問題，分析、制定出應對措施予以實施，相信風機地網質量是可控且滿足設計和生產要求的，從而保證風電場防雷措施和安全運行。