山地风电场风机接地问题研究

李 翔

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 611130)

1 概 述

我国风电资源十分丰富。《中丹可再生能源发展项目中国可再生能源发展路线图2050》显示，我国的风能资源潜力在30亿kW以上，其中陆上风电70 m高度的潜在开发量为26亿kW，占比总开发潜力的86%以上。积极情景下，到2020、2030和2050年，我国风电累计装机容量将分别达到3亿kW、12亿kW和20亿kW，风电发电量将分别达到0.6万亿kW·h、2.4万亿kW. h和4万亿kW·h[1]。目前，为充分利用山地区域，我国山地风电场的规模急速上升，同时也面临风机安装地点常遇高雷暴天气、土壤电阻率较高或土壤电阻率不均匀的问题。如何在这种情况下依然能够满足相关接地防雷标准要求进行设计与施工已成为目前山地风电场风机防雷接地设计中的重点。笔者对其进行了分析，旨在更好地发展我国的风电事业。

2 风电机组本体的防雷设计

高雷暴地区的雷暴发生概率远大于普通地区。雷暴释放的瞬时能量有可能造成风电机组叶片的损坏、发动机绝缘被击穿、控制元件烧毁的严重后果。由于目前的风电机组为提高单机容量，其轮毂高度和叶轮直径亦逐渐增加，相对而言遭到雷击的概率也一同增加，因此，对于风电机组本体防雷设计的要求也越来越高。雷击对风电机组造成的损害主要是雷击产生的热效应和机械效应，间接危害主要有雷电电磁感应效应和电涌过电压效应。

为解决上述问题，风电机组本体的防雷设计主要需要完善直击雷防护系统。该系统主要包括接闪系统和导雷系统，而其接闪系统主要包括叶片接闪系统和机舱接闪器。

(1)叶片接闪系统。叶片接闪系统由叶片雷电流接收器和叶片引下线组成。叶片接闪系统必须能够承受IEC 61400-24中LPLⅠ(Lightning Protection Level)所规定的雷电流参数且叶片不能有结构上的损坏。在设计叶片时，需要考虑叶片在遭到直击雷时叶片叶尖接闪器在旋转的同时要如何才能够准确地接闪。叶片引下线应敷设于叶片内部腹板上，其引下线分别与叶尖、叶身接收器和叶根法兰可靠连接，叶片接闪器表面不允许出现油漆涂层，以确保其可以承受由于雷电引起的热能、机械能、电动力等综合效应。对于山地风电场往往都处于高雷暴区域的情况，风机叶片应考虑增加导雷条。

(2)机舱接闪器。通常，机舱顶部的气象站支架上安装有一个金属接闪杆。接闪杆的保护范围需覆盖机舱尾部和机舱两侧，采用滚球法(最小半径值为20 m)设计接闪杆的高度和保护范围。对于机舱外带有通风散热装置的风力发电机，应充分考虑该部分和机舱内金属部件的等电位连接，使雷电流可以顺畅传递。

针对导雷系统，目前国内外主流风机制造厂商设计的导雷系统有两条路径：一条为由叶片接闪系统开始的雷电流路径，另一条为机舱接闪杆开始的雷电流路径。叶片接闪系统雷电流路径包括叶片法兰、变桨轴承、轮毂、主轴、主机架、塔架、基础接地以及相应的连接导体；机舱接闪杆雷电流路径包括接闪杆、主机架、塔架、基础接地以及相应的连接导体。

3 风电机组基础接地设计

风电机组的接地系统是作为快速分散消溃雷电流和防止风电机组因雷击而损坏的有效措施，同时也是保护地面人员人身安全的重要手段。风电机组基础接地设计需要解决的问题主要有接地电阻问题、地网均压问题、设备接地问题、接地线热稳定问题、接地材料腐蚀问题等。笔者主要就接地电阻问题进行了分析。

从国内外权威风机防雷接地相关标准看，其普遍对于风机工频接地电阻及冲击接地电阻并无统一的明确要求(表1)。

表1 国内外主要规范对于风机基础接地电阻相关要求表[2～6]

因此，目前我国风机基础接地电阻的设计值和实际值均是在参考国内外主要标准的同时、以主流风机制造厂家的要求为准。如金风兆瓦机组防雷与接地系统设计手册(陆地型)要求“(1)单台机组的工频接地电阻R<4 Ω；(2)单台机组的工频接地电阻R<10 Ω，此时，必须进行多机联合接地，且联合接地的工频接地电阻R<4 Ω”；运达风力发电机组防雷设计规范要求“风力机组接地电阻小于4 Ω”；远景能源风力发电机组的防雷与接地技术规范同样要求“工频接地电阻小于4 Ω”。

目前，风机接地网的设计一般采用扩大地网法、换土法、深井接地法、填充降阻剂或采用离子接地极等方法和措施。而面对山地风电场这类土壤电阻率较高、地形复杂的项目，主要还需采用合适面积的异形地网(风机平台外形)、外延放射极、深井接地、填充降阻剂结合的方法才有可能满足设计要求的接地电阻，其整体设计方案及施工较为复杂。

笔者以某山地风电场项目为例，该风电场各机位平均土壤电阻率为3 000 ～4 000 Ω·m，属于高土壤电阻率地区。在接地网设置方面，设计院主要采用B型接地装置(沿风机基础周边设置环形接地装置，根据GB/T 21714.3—2015《雷电防护 第3部分：建筑物的物理损坏和生命危险》，B型接地装置可以是位于需保护建筑物外面且总长度的80%至少与土壤接触的环形导体或基础接地极构成的闭合环路，接地极可以是网状。附加垂直接地极和水平接地极可以与环形接地极组合使用，接地极埋深至少为0.5 m)为主，辅以水平接地体(镀锌扁钢)进行主接地网的设计。其中环形接地网总共为4个，1号水平接地环埋深为-0.8 m，2号和3号水平接地环埋深为-4 m，4号水平接地环位于塔筒底部+0.15 m处。除此之外，另外设计了2根贯穿风机基础的十字水平接地体，且与环形接地网可靠焊接，埋深为-0.8 m。所有水平接地体均采用低电阻率的黏土回填并加水夯实。整个接地系统共采用8根、3 m长的垂直接地极(镀锌钢管)分散敷设，各接地极周围回填电阻率不大于5 Ω·m的物理降阻剂。风机基础接地环网与箱变基础接地环网应连接在一起，接地引出线方向根据箱变位置确定，连接引线不少于2根。其具体做法见图1、2。

图1 风机基础接地平面布置图

图2 风机基础接地剖面布置图

按照上述做法施工后，应记录下单台机组接地网实测接地电阻值，其应不大于4 Ω。针对高土壤电阻率的风电场，在一般平台区域碎石较多，按照DL/T 475-2017 《接地装置特性参数测量导则》的规定，在土壤电阻率较高的地区，测量时为了降低电流极接触电阻带来的较大误差，应在电流极的位置用盐水浇灌或增加电流极根数用以降低误差。如采用直线法，随着电流极的移动，接地电阻变化较大，按照规范要求，连续按5%的电流极与接地网距离间隔移动3次，如接地网电阻变化小于5%则可认为所测接地电阻基本与实际接地电阻一致(此条在实际测量中务必执行)。如未达到要求，则需采取相近风机接地网外引互联，必要时各风机位需采取深井接地方案，或采用离子接地极、高效接地模块等材料，直至单台风机工频接地电阻降至4 Ω以下。

4 结 语

我国的山地风电场大多面临雷暴天数较多、土壤电阻率高、接地土质条件差的问题，如不针对风电机组本体及基础接地进行有的放矢的设计，很有可能会对设备运行、人身安全及项目经济效益造成不可估量的伤害。因此，如何在技术和经济合理的情况下最大程度地满足山地风电场安全运行的问题也越来越受到各方面的关注。笔者在文中对面临高雷暴、高土壤电阻率问题的山地风电场风机接地问题进行了分析，旨在与同行探讨交流，为类似工况的风电场防雷接地设计提供参考与借鉴。