風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)接地問題的對(duì)策研究

葉赟愷 許葉萌

中電大豐風(fēng)力發(fā)電有限公司，中國(guó)·江蘇 鹽城 224100

1 引言

能源危機(jī)是限制中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)勢(shì)在必行。

特別是在電力行業(yè)中，燃煤發(fā)電不僅會(huì)造成較大的能源消耗，而且會(huì)引起環(huán)境污染和破壞的問題，威脅人類生活生存空間，限制了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。風(fēng)能是一種清潔型能源，具有可再生的特點(diǎn)，被逐漸應(yīng)用于社會(huì)各領(lǐng)域當(dāng)中，有助于優(yōu)化當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)。

風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)速度加快，通過風(fēng)力發(fā)電的方式可以解決單一化燃煤發(fā)電方式造成的問題，促進(jìn)電力行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)健康發(fā)展。做好風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的接地處理，是保障設(shè)備良好運(yùn)行性能的關(guān)鍵，促進(jìn)其防雷系數(shù)的提升，以應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境因素的影響。多種因素會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的接地效果造成影響，必須結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)的特點(diǎn)對(duì)接地系統(tǒng)予以優(yōu)化，以提高整體安全性能。

2 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)接地的影響因素

2.1 高雷暴環(huán)境

風(fēng)電場(chǎng)通常會(huì)設(shè)置在山區(qū)當(dāng)中，接地設(shè)計(jì)往往受到高雷暴環(huán)境的影響。在應(yīng)用風(fēng)電機(jī)組時(shí)，往往需要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的位置進(jìn)行全面勘測(cè)，確?？梢垣@得充足的風(fēng)力資源，從而擴(kuò)大風(fēng)機(jī)吊裝平臺(tái)面積。隨著海拔的上升，風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊的概率則會(huì)增大，尤其是在設(shè)置避雷針后會(huì)出現(xiàn)較多的引雷效應(yīng)，使得整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增大。因此，在高雷暴環(huán)境下設(shè)置風(fēng)機(jī)接地時(shí)的難度也更高，需要對(duì)其產(chǎn)生危害的原因進(jìn)行評(píng)估，從而科學(xué)設(shè)置避雷裝置，防止對(duì)風(fēng)機(jī)造成較大的威脅，控制風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)及運(yùn)行成本。

2.2 較高的電阻率

風(fēng)電場(chǎng)所在區(qū)域的電阻率通常較高，這也是影響風(fēng)機(jī)接地效果的主要原因。尤其是當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)表層內(nèi)存在較多的強(qiáng)風(fēng)化巖石且下層存在較多的中風(fēng)化巖石時(shí)，使得巖石的整體電阻率上升，因此相較于普通地區(qū)而言，該地區(qū)的接地難度也相對(duì)較大。當(dāng)在山區(qū)中建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，由于地形地貌和地質(zhì)條件等存在較大的差異性，造成巖石結(jié)構(gòu)的不同，因此電阻率的分布也呈現(xiàn)出不均勻性的特點(diǎn)[1]。

2.3 接地網(wǎng)面積及交通

在平整的吊裝平臺(tái)中設(shè)置接地系統(tǒng)，可以降低接地系統(tǒng)安裝的難度，但是在實(shí)踐中往往會(huì)受到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吊裝平臺(tái)面積的影響，導(dǎo)致接地電阻值無法滿足國(guó)家及行業(yè)相關(guān)規(guī)定。接地網(wǎng)面積不足，難以在雷雨天氣下對(duì)風(fēng)機(jī)形成有效的保護(hù)作用。很多風(fēng)電場(chǎng)所在區(qū)域的交通環(huán)境較差，因此給材料的運(yùn)輸和施工造成困擾。隨著運(yùn)輸距離的延長(zhǎng)，風(fēng)機(jī)接地設(shè)計(jì)成本投入也會(huì)增大。

3 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)接地的處理對(duì)策

3.1 添加降阻劑

電阻率是影響風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)接地效果的關(guān)鍵指標(biāo)，因此應(yīng)該在接地處理中加以有效控制，從而獲得良好的接地防護(hù)效果。在設(shè)置風(fēng)機(jī)接地裝置時(shí)，可以在基坑當(dāng)中添加適量的降阻劑，尤其是高效凝膠接地降阻劑的性能較好，周圍土壤會(huì)受到離子導(dǎo)電顆粒的影響，通過樹根效應(yīng)改善風(fēng)化巖和基巖的基礎(chǔ)土壤性質(zhì)。該類型降阻劑的應(yīng)用，不僅能夠有效控制沖擊接地電阻，而且起到了保濕和保水的效果。當(dāng)接地體散流面積逐漸增大時(shí)，會(huì)使得電阻率逐漸下降。如果風(fēng)電場(chǎng)所在區(qū)域的降水量較少，土壤含水率不高，則可以采用添加降阻劑的方式，改善風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

3.2 換土處理

風(fēng)化巖石在山區(qū)中較為常見，而且存在較薄的土壤成厚度，如果風(fēng)機(jī)附近存在較多的粘土，則可以采用換土處理的方式。沙土和風(fēng)化巖石等電阻率相對(duì)較高，可以運(yùn)用黑土和粘土替代，使得電阻率得到有效控制，在黑土地區(qū)和粘土地區(qū)的應(yīng)用效果更好[2]。此外，通過連接不同的接地網(wǎng)，從而構(gòu)建一個(gè)更加完善的網(wǎng)絡(luò)體系，也是改善接地性能的重要措施。為了對(duì)工程建設(shè)成本加以控制，應(yīng)該在施工中同步敷設(shè)電纜。

3.3 深井接地技術(shù)

地形是影響土壤電阻率的主要因素，在不同的地形條件下其電阻率也會(huì)發(fā)生較大的改變，尤其是在縱向和橫向上存在分布不均的情況。深井接地技術(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用效果較好，通過構(gòu)建垂直接地體，能夠使該地區(qū)附近的電阻率得到控制，使其達(dá)到防雷接地標(biāo)準(zhǔn)[3]。在采用深井接地技術(shù)時(shí)，需要采取鉆孔處理的方式，按照規(guī)定設(shè)置垂直接地極，其縫隙需要使用低電阻率的材料實(shí)施回填，該材料的基本組成是水和防腐導(dǎo)電黏土等。季節(jié)因素和氣候因素等對(duì)深井接地技術(shù)的影響較小，無論是在炎熱的夏季還是在嚴(yán)寒的冬季，都可以起到降低電阻率的作用，使得電極通流得到改善。

3.4 本體防雷接地

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組的本體遭受雷擊時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較高的瞬時(shí)能量，引起絕緣擊穿、葉片損壞和控制元件燒毀等問題。為了滿足實(shí)際發(fā)電需求，當(dāng)前葉輪直徑更大，而且輪轂高度更高，因此使得風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊的概率上升。除了機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行造成威脅外，由于雷擊而產(chǎn)生的電涌過電壓和電磁感應(yīng)等也會(huì)造成較大的危害[4]。為此，應(yīng)該設(shè)計(jì)完善的直擊雷防護(hù)體系，借助于導(dǎo)雷系統(tǒng)和接閃系統(tǒng)加以防護(hù)，充分發(fā)揮機(jī)艙接閃器和葉片接閃系統(tǒng)的功能。在葉片內(nèi)部腹板當(dāng)中設(shè)置引下線，同時(shí)連接葉身接收器、葉尖和葉根法蘭等，構(gòu)建完善的葉片接閃系統(tǒng)，從而降低雷電機(jī)械能和熱能的影響。在設(shè)計(jì)機(jī)艙接閃器時(shí)，需要嚴(yán)格規(guī)范接閃桿的高度，確保其達(dá)到實(shí)際防護(hù)要求及標(biāo)準(zhǔn)，通過等電位連接的方式順利導(dǎo)出雷電流。

3.5 基礎(chǔ)接地設(shè)計(jì)

針對(duì)設(shè)備接地問題、接地電阻問題和接地材料腐蝕問題等，可以通過基礎(chǔ)接地的方式進(jìn)行處理。在GB51096—2015《風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，對(duì)于工頻接地電阻提出了明確的要求，規(guī)定阻值應(yīng)該在4Ω 以內(nèi)。外延放射極、異形地網(wǎng)等在電阻率較高的風(fēng)電場(chǎng)中應(yīng)用較多[5]。在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)接地系統(tǒng)時(shí)，可以運(yùn)用環(huán)形異體構(gòu)建閉合環(huán)路，結(jié)合水平接地極和垂直接地極，確保埋深在0.5m以上，優(yōu)化整個(gè)主接地網(wǎng)。運(yùn)用物理降阻劑對(duì)周圍土壤進(jìn)行改善，提高基礎(chǔ)接地系統(tǒng)的整體防雷效果。

3.6 防腐處理

接地裝置長(zhǎng)期埋設(shè)于地下，會(huì)受到電化作用和土壤介質(zhì)等影響，導(dǎo)致其出現(xiàn)腐蝕問題，會(huì)對(duì)整體防雷效果造成影響，因此應(yīng)該做好接地裝置的防腐設(shè)計(jì)，以便提高裝置的防腐性能，避免發(fā)生嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)。針對(duì)接地極可以采用黏土進(jìn)行防護(hù)，形成一個(gè)良好的隔絕層，避免受到周圍土壤的影響，減少了接地極上的化學(xué)反應(yīng)[6]。此外，電解質(zhì)防腐接地包在實(shí)踐中的應(yīng)用也較多，在吸附性材料的作用下加快了離子交換速度，有利于降低土壤電阻率。該類方法對(duì)于接地體的化學(xué)腐蝕問題可以起到有效的預(yù)防作用，使其能夠在防雷當(dāng)中發(fā)揮應(yīng)有的作用。

4 結(jié)語

做好風(fēng)機(jī)的接地處理，可以有效應(yīng)對(duì)雷擊的威脅，防止對(duì)設(shè)備安全造成影響，保障風(fēng)力發(fā)電工作的順利實(shí)施，滿足社會(huì)的用電需求。在風(fēng)機(jī)接地設(shè)計(jì)當(dāng)中，往往會(huì)受到高雷暴環(huán)境、較高的電阻率、接地網(wǎng)面積及交通等因素的影響，防雷接地難度增大。在實(shí)踐工作當(dāng)中，應(yīng)該通過添加降阻劑、換土處理、深井接地技術(shù)、本體防雷接地和基礎(chǔ)接地設(shè)計(jì)等，構(gòu)建完善的防雷接地系統(tǒng)。