石 巍，王秋紅

(中南電力設計院，湖北 武漢 430071)

近幾年，隨著國際能源的匱乏和各國對低碳經(jīng)濟的倡導，世界上掀起了一股新能源的浪潮，我國的新能源事業(yè)也正迅速發(fā)展，風力發(fā)電進入了新的階段。截止2009年6月底，我國風電并網(wǎng)裝機1181萬kW，風力發(fā)電達到126億kWh。

目前我國北方的風電場主要集中在新疆、內(nèi)蒙古、河北和東北地區(qū)的高原和戈壁地區(qū)，南方的風電場主要集中在丘陵和山區(qū)。將來沿海和海上風電場將是發(fā)展的主要方向。

由于風電場所處的位置風資源比較好，相對也比較空曠，因此遭受雷擊的概率也比較高。對于風力發(fā)電機組本身的防雷，各個制造廠家都有典型和成熟的設計方案，而我們需要解決的主要問題就是風力發(fā)電機組的接地。

1 對風電場風力發(fā)電機組接地電阻的要求

風力發(fā)電機組的接地應該分為工作接地和防雷接地。這兩個接地的接地電阻是不一樣的。根據(jù)《交流電氣裝置的接地》(DL/T621-1997)的規(guī)定，對于風力發(fā)電機組的工作接地應不大于4 Ω。對于防雷接地電阻在土壤電阻率不大于500Ω.m的地區(qū)不應大于10Ω；在高土壤電阻率的地區(qū)，允許接地電阻大于10Ω，但要滿足空中距離和地中距離的要求。由于風力發(fā)電機組僅有一個共用的接地裝置，接地電阻應符合其中最小值。因此，按《交流電氣裝置的接地》(DL/T621-1997)的規(guī)定，通常機組接地電阻取值為小于4Ω。

目前國內(nèi)運行的風力發(fā)電機組對接地電阻的要求不太一致，見表1。

表1 國內(nèi)運行的風力發(fā)電機組對接地電阻的要求

以上各個風機制造廠給出的就是風機的工作接地電阻，而不是防雷接地電阻要求值。根據(jù)IEC TR61400-24 風力發(fā)電機系統(tǒng) 防雷保護篇章中9.1.2條規(guī)定風機的防雷接地電阻在小于10Ω時就可以不考慮外引接地線。這就說明風機的防雷接地電阻只要小于10Ω就可以了。

同時，中國船級社《風力發(fā)電機組規(guī)范》中規(guī)定：為了將雷電流流散入大地而不會產(chǎn)生危險的過電壓，應注意接地裝置的形狀和尺寸設計，并應有低的接地電阻，其工頻接地電阻一般應小于4Ω，在土壤電阻率很大的地方可放寬到10Ω以下。

因此，我們應該明確風機的工作接地電阻應該不大于4Ω，防雷接地電阻在低土壤電阻率(≤500Ω.m)地區(qū)應該不大于10Ω。

2 工頻接地電阻和沖擊接地電阻的區(qū)別

我們通常所說的接地電阻都是對于工頻電流而言，也就是工頻接地電阻。當接地裝置通過雷電流時，由于雷電流有強烈的沖擊性，接地電阻發(fā)生很大變化，為了區(qū)別起見，這時的接地電阻稱為沖擊接地電阻。

我們所測量的接地電阻值，是在低頻、電流密度不大的情況下測得的，或是用穩(wěn)態(tài)公式計算得出的電阻值。但在雷擊時，雷電流是非常強大的沖擊波，其幅值往往達到幾萬甚至幾十萬安。由于流過接地裝置電流密度的增大，以致土壤中的氣隙、接地體與土壤間的氣層等處發(fā)生火花放電現(xiàn)象，土壤電阻系數(shù)變小，并且土壤與接地體間的接觸面積增大，結(jié)果相當于加大接地體尺寸，降低沖擊電阻值。這在沖擊接地電阻計算公式也可以看出。沖擊接地電阻計算公式如下：

式中：α為沖擊系數(shù)；R為工頻接地電阻；Ri為沖擊接地電阻。

α一般小于1，所以沖擊接地電阻一般小于工頻接地電阻，故工頻接地電阻小于10Ω，則沖擊接地電阻就小于10Ω。

由于接地體自身的電感阻礙電流向遠端流動，使得接地體得不到充分利用，地網(wǎng)導體上的電位分布很不均勻，離沖擊電流注入點越遠的地方，接地體上的電位就越低，甚至為零。因此，地網(wǎng)在沖擊電流的作用下，只有電流注入附近一小塊范圍內(nèi)的導體起到散流作用，無論地網(wǎng)有多大，對應沖擊電流其有效面積卻是一定的，有效面積之外的導體并不能起到泄放雷電流的作用。根據(jù)《交流電氣裝置的接地》的要求，見表2。

表2 放射性接地極的有效長度

這在IEC TR61400-24 風力發(fā)電機系統(tǒng) 防雷保護篇章中也有說明。

3 按要求設計接地電阻

在明確了風機的工作接地電阻和防雷接地電阻后，我們就可以按規(guī)定設計風機的接地網(wǎng)。我國風電場風機的接地網(wǎng)基本都為圍繞風機基礎做環(huán)形水平接地網(wǎng)，在水平接地網(wǎng)上加垂直接地極。由于不同工程的地質(zhì)條件不同，各個風機布機處的土壤電阻率也大不相同，低的幾十歐.米，高的達到幾千歐.米。因此風機的接地電阻差別很大，所達到的效果也不相同。下面我們分幾種情況來討論：

⑴ 風機所在位置的土壤電阻率較低，可以滿足較小的接地網(wǎng)就可以做到接地電阻小于4Ω。

工作接地和防雷接地的接地電阻都可以滿足條件。

⑵ 風機所在位置的土壤電阻率較高，單臺機組接地網(wǎng)的接地電阻可以滿足小于10Ω，但不能滿足接地電阻小于4Ω。

按照規(guī)程的要求，工作接地電阻是必須要小于4Ω，我們在工程中采取的方案有兩個，一是把風電場局部區(qū)域的若干臺風機的接地網(wǎng)連接起來，以保證接地電阻小于4Ω。實際是就是擴大了接地網(wǎng)，以減小接地電阻。由于風機之間的間距一般在幾百米的范圍之內(nèi)，風機接地網(wǎng)通過兩根水平接地干線互相可靠連接起來，到達接地電阻小于 4Ω是可行的。二是外引接地極或外接接地網(wǎng)，以保證接地電阻小于4Ω。采用放射狀外引接地極以擴大接地面積并向外引到土壤電阻率較低的位置。在山區(qū)也可以采取在山腳下或半山腰土壤電阻率低的位置設置接地網(wǎng)，再與風機接地網(wǎng)連接。這樣做到接地電阻小于 4Ω也是可行的。這兩個方案在具體的工程施工中可以聯(lián)合使用。

由于單臺機組接地網(wǎng)滿足工頻接地電阻小于10Ω，沖擊電阻小于工頻電阻，所以，防雷接地電阻小于10Ω滿足條件。

⑶ 風機所在位置的土壤電阻率很高，單臺機組接地網(wǎng)的接地電阻不能滿足小于10Ω。

按照規(guī)程的要求，工作接地電阻是必須要小于4Ω，因此我們可以按照(2)的方案一把風電場局部區(qū)域的若干臺風機的接地網(wǎng)連接起來擴大地網(wǎng)，以保證接地電阻小于4Ω。只是由于土壤電阻率很高，需要連接的風機數(shù)量會增加一些。也可以按照(2)的方案二外引接地極或外接接地網(wǎng)，以保證工頻接地電阻小于4Ω。

如前2所述，地網(wǎng)在沖擊電流的作用下，只有電流注入附近一小塊范圍內(nèi)的導體起到散流作用，無論地網(wǎng)有多大，對應沖擊電流其有效面積卻是一定的，有效面積之外的導體并不能起到泄放雷電流的作用。由于土壤電阻率很高，單臺接地機組接地電阻在有效面積內(nèi)的接地電阻達不到小于10Ω，此時可以采取的有效措施主要是換土，降低土壤電阻率或者采用深井接地等措施。同時應當與風機廠家協(xié)商，對風機采取一些防護措施加強內(nèi)部設備安全性，例如加強內(nèi)部設備屏蔽、采用隔離變壓器等等。

4 結(jié)論

風電場風機接地可以按照以下原則設計：

⑴ 風機的工作接地電阻應該不大于4Ω，防雷接地電阻在低土壤電阻率(≤500Ω.m)地區(qū)應該不大于10Ω，高土壤電阻率(＞500Ω.m)地區(qū)采取措施仍然不能滿足小于10Ω，此種情況需要采取相應的特別，例如換土或深井接地，同時加強風機內(nèi)部設備的防雷屏蔽措施。

⑵ 風機的外引接地極或外接接地網(wǎng)如果只是考核工頻接地電阻，沒有距離的要求，但如果是考核沖擊接地電阻，應該按照規(guī)程設計外引導體的長度。

⑶ 不建議采用降阻劑等方案，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗，化學性的降阻劑對接地材料和設備基礎的腐蝕比較嚴重，而物理性的降阻劑使用效果不明顯。故不建議采用降阻劑方案。

對于海邊、灘涂和鹽堿地區(qū)的風電場我們還應該考慮機組接地網(wǎng)和機組基礎的防腐蝕措施。

[1]DL/T621-1997，交流電氣裝置的接地[S].

[2]DL/T620-1997，交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].

[3]IEC TR61400-24，Wind turbine generator systems-Part 24：Lightning protection[S].