（福建省福能新能源有限責(zé)任公司 福建莆田 351146）

0 引言

眾所周知，風(fēng)機(jī)地網(wǎng)在風(fēng)機(jī)運(yùn)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(hù)和工作接地等，因此風(fēng)機(jī)地網(wǎng)的接地電阻值是否長(zhǎng)期、穩(wěn)定的滿足要求（如小于4 Ω），是決定風(fēng)機(jī)或風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行的重要指標(biāo)。然而沿海地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)條件復(fù)雜，由于其所處地理位置和地質(zhì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)所在地的土壤電阻率較高，常規(guī)的地網(wǎng)設(shè)計(jì)和施工方法難以滿足風(fēng)機(jī)對(duì)接地電阻值的要求，故在地網(wǎng)的設(shè)計(jì)和施工中往往會(huì)采用一些降低地網(wǎng)電阻的方法，如加大外引地網(wǎng)的尺寸和采用降阻技術(shù)（回填低電阻率材料）等。

當(dāng)風(fēng)機(jī)地網(wǎng)采用了降阻技術(shù)后，從施工質(zhì)量管理而言，會(huì)發(fā)生許多理念、依據(jù)、方法、手段上的變化。為了確保風(fēng)機(jī)地網(wǎng)接地電阻值長(zhǎng)期、穩(wěn)定地滿足技術(shù)要求，保障風(fēng)機(jī)安全生產(chǎn)，提高風(fēng)機(jī)發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益，有必要對(duì)沿海山地復(fù)雜條件風(fēng)機(jī)地網(wǎng)施工管理的變化和注意的問(wèn)題進(jìn)行分析與探討。

1 沿海山地復(fù)雜地質(zhì)條件風(fēng)機(jī)地網(wǎng)的特點(diǎn)

1.1 風(fēng)機(jī)處于高雷區(qū)環(huán)境

為了獲得良好的風(fēng)力發(fā)電條件，沿海山地風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)通常建設(shè)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(gè)月為雷電多發(fā)時(shí)期，風(fēng)電場(chǎng)處在多雷區(qū)或強(qiáng)雷區(qū)，風(fēng)機(jī)葉片和機(jī)組本身都產(chǎn)生引雷效應(yīng)，增加了風(fēng)機(jī)因雷電侵害而導(dǎo)致生產(chǎn)事故的幾率，所以風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)的接地電阻值、特別是沖擊接地電阻值達(dá)標(biāo)與否直接影響著風(fēng)電場(chǎng)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 土壤電阻率高且差異大

沿海山地的工程地質(zhì)主要由表層土壤薄層和全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖體所構(gòu)成，而下層主要由中風(fēng)化到部分弱風(fēng)化巖石構(gòu)成，這些巖石的整體的電阻率都比一般的巖石組成要高。場(chǎng)地內(nèi)地層含大量砂及塊石、孤石，不同的片區(qū)甚至同一片區(qū)不同位置的巖石結(jié)構(gòu)都不同，地質(zhì)結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別，土壤的電阻率高低不同，土壤電阻率在不同的方位會(huì)有較大差異。

1.3 土壤的腐蝕性高

由于風(fēng)機(jī)建設(shè)在沿海的山頂或山脊上，海洋氣候會(huì)導(dǎo)致空氣和雨水中的含鹽量較高，對(duì)接地材料（如鋼材）會(huì)有較強(qiáng)的腐蝕性，從而降低風(fēng)機(jī)地網(wǎng)的使用壽命。

1.4 風(fēng)機(jī)地網(wǎng)的物理尺寸較大

風(fēng)機(jī)地網(wǎng)通常由基礎(chǔ)環(huán)形地網(wǎng)和外引地網(wǎng)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(wàn)Ω·m），為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)地網(wǎng)工頻接地電阻小于4 Ω的要求，在地網(wǎng)設(shè)計(jì)和施工中往往會(huì)采用增加外引水平地網(wǎng)長(zhǎng)度的方法來(lái)降低地網(wǎng)的工頻接地電阻電阻值。由于外引水平地網(wǎng)較長(zhǎng)（通常為幾十至幾百米），導(dǎo)致風(fēng)機(jī)地網(wǎng)的最大物理尺寸（如圖1中的D）可達(dá)幾百米，尺寸較大。

2 地網(wǎng)的降阻原理

2.1 地網(wǎng)接地電阻計(jì)算

地網(wǎng)通常是由環(huán)形、垂直和水平接地極構(gòu)成，從《電力系統(tǒng)接地技術(shù)》[1]和《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中可知，各種接地極的電阻值計(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shù)，可查表得到。如圖3所示。

（3）環(huán)形接地極

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

（4）地網(wǎng)

當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)是由垂直、水平和環(huán)形接地極組成，并且它們的接地電阻分別記為R1、R2和R3時(shí)，地網(wǎng)的接地電阻R總的計(jì)算公式為：

式中：η為利用系數(shù)，可根據(jù)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(jì)算

2.2.1 降阻原理

一般來(lái)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(dāng)接地極的表面積有限、土壤的顆粒較大（呈點(diǎn)接觸）時(shí)，土壤與接地極的接觸面積是有限的且遠(yuǎn)小于接地極表面積的，土壤與接地極間的接觸電阻會(huì)很大，散流會(huì)很困難，接地電阻也就會(huì)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?。ㄩL(zhǎng)度、直徑、面積）成負(fù)相關(guān)，與土壤電阻率成正相關(guān)，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(xì)膩、電阻率較低回填材料，以達(dá)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(shù)的接地極接地電阻計(jì)算

《配電線路雷電防護(hù)》[1]中給出采用建筑技術(shù)接地極的接地電阻計(jì)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(qū)域的土壤電阻率，Ω·m；L為垂直接地極的長(zhǎng)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(qū)域的直徑（或等效直徑），m。如圖4所示。

當(dāng) 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(qū)域的土壤電阻率，Ω·m；L為水平接地極的長(zhǎng)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(qū)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(dāng) d<

對(duì)比式（1）、（7）和式（2）、（9）可發(fā)現(xiàn)，采用降阻技術(shù)后，接地極的接地電阻計(jì)算基本相同，只是將原有的接地極直徑d變?yōu)榱薲1，即增大了接地極的體積或尺寸。所以說(shuō)，降阻技術(shù)或降阻接地極就是通過(guò)增加接地極的尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)降阻的，而降阻技術(shù)與接地極本身的材質(zhì)（銅、鐵、金等）基本無(wú)關(guān)，僅與回填材料的電阻率、尺寸大小相關(guān)。

3 施工管理中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

采用降阻技術(shù)的接地極（或地網(wǎng)）與傳統(tǒng)的接地極（或地網(wǎng)）的最大區(qū)別在于，在接地極附近回填了低電阻率的材料。伴隨著在風(fēng)機(jī)地網(wǎng)設(shè)計(jì)和施工中采用了降阻技術(shù)，采用降阻技術(shù)的地網(wǎng)施工中應(yīng)該特別注意以下5個(gè)問(wèn)題。

3.1 接地極敷設(shè)溝槽的尺寸

從式（7）、（9）中可知，決定地網(wǎng)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(shè)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(shù)的接地極（網(wǎng)）施工管理中應(yīng)特別關(guān)注接地極敷設(shè)溝槽的開(kāi)挖尺寸是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，以保證接地電阻能滿足設(shè)計(jì)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(dāng)回填材料的土壤電阻率ρ1遠(yuǎn)小于風(fēng)機(jī)所在區(qū)域的土壤電阻率ρ時(shí)，式（7）和式（9）才成立，所以為了保證施工結(jié)果能達(dá)到設(shè)計(jì)、計(jì)算的要求，在采用降阻技術(shù)的接地極（網(wǎng)）施工管理中應(yīng)特別關(guān)注、檢驗(yàn)回填材料的土壤電阻率和顆粒粗細(xì)程度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.3 接地極的使用壽命

一方面在采用技術(shù)的接地極（網(wǎng)）的施工中會(huì)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(chǎn)企業(yè)往往會(huì)在回填材料中添加各種酸、堿離子的導(dǎo)電材料（如工業(yè)鹽等），這些酸、堿離子在雨水的作用下，會(huì)對(duì)接地極的材料形成強(qiáng)腐蝕作用，從而降低接地極（網(wǎng)）使用壽命；另一方面風(fēng)機(jī)地處沿海山地，海洋性氣候?qū)е掠晁泻}量較高，含鹽量較高的雨水浸入接地極附近后會(huì)加快接地極的腐蝕速度，降低接地極（網(wǎng)）使用壽命。為了保證接地極（網(wǎng)）使用年限，應(yīng)特別關(guān)注3個(gè)方面的問(wèn)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(zhì)相關(guān)的，并按照每年的腐蝕量來(lái)計(jì)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(wǎng)）的施工管理應(yīng)特別關(guān)注、檢驗(yàn)接地極的材質(zhì)和外形尺寸是否達(dá)到設(shè)計(jì)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(huì)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(wǎng)）的施工管理應(yīng)特別關(guān)注、檢驗(yàn)接地極涂層的材質(zhì)和厚度尺寸是否達(dá)到設(shè)計(jì)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(wǎng)施工管理中應(yīng)嚴(yán)格把控的項(xiàng)目，它是決定地網(wǎng)使用壽命的關(guān)鍵一環(huán)。由于低電阻率回填材料的應(yīng)用，接地極處在了一個(gè)腐蝕更高的環(huán)境之中，要加強(qiáng)對(duì)焊接和防腐施工的質(zhì)量管理。

（3）低電阻率材料的pH值。在低電阻率回填料的生產(chǎn)中，企業(yè)往往會(huì)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(wǎng)）的使用壽命，施工管理中應(yīng)該用pH試紙測(cè)試低電阻率回填材料的酸、堿度，確保達(dá)到設(shè)計(jì)要求，如設(shè)計(jì)無(wú)要求時(shí)，應(yīng)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(fēng)機(jī)地網(wǎng)接地電阻值的測(cè)量

檢驗(yàn)風(fēng)機(jī)地網(wǎng)接地電阻是否能滿足運(yùn)行要求的唯一辦法就是測(cè)量，接地電阻的測(cè)量法參考 《電力系統(tǒng)接地技術(shù)》[1]和《接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則》[4]。

風(fēng)機(jī)地網(wǎng)的理想測(cè)試布線方式如圖6所示，藍(lán)色圓點(diǎn)分別表示電流極C和電壓極P的位置，地網(wǎng)的測(cè)試點(diǎn)為G；C至G間連線記為電流測(cè)試線，其長(zhǎng)度為dGC；P至G間連線記為電壓測(cè)試線，其長(zhǎng)度為dGP；P至C間距離記為dPC；D為地網(wǎng)的最大物理尺寸；電流測(cè)試線和電壓測(cè)試線的夾角為30°；dGC和dGP長(zhǎng)度均為2D。

然而由于山區(qū)的風(fēng)機(jī)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(cè)試線的方法難以實(shí)施，從而通常只能采用直線測(cè)量法來(lái)測(cè)量，并沿道路來(lái)敷設(shè)測(cè)試線。

當(dāng)在山區(qū)風(fēng)機(jī)地網(wǎng)采用直線法來(lái)測(cè)量接地電阻時(shí)，常常會(huì)發(fā)生以下幾個(gè)問(wèn)題，值得大家關(guān)注并在管理工作中予以避免或糾正。

（1）采用固定長(zhǎng)度的電流和電壓測(cè)試導(dǎo)線?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中測(cè)試人員用接地測(cè)試儀所配置的固定長(zhǎng)度測(cè)試導(dǎo)線 （如電流線長(zhǎng)度/電壓線長(zhǎng)度分別為40/20 m、60/30 m或100/50 m等）來(lái)對(duì)不同的風(fēng)機(jī)地網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試（如圖7所示），采用直線法測(cè)量的前提條件是C（電流極）、P（電壓極）和G（地網(wǎng)中心測(cè)試點(diǎn)）三點(diǎn)應(yīng)成一線，且滿足以下公式：

由此可見(jiàn)，當(dāng)山區(qū)風(fēng)機(jī)地網(wǎng)的外引地網(wǎng)較大 （50 m以上）時(shí)，地網(wǎng)D會(huì)大于100 m，從而采用固定長(zhǎng)度測(cè)試線的測(cè)量方法是不滿足式（10）的要求（圖6），其測(cè)量結(jié)果是不可信和無(wú)效的。

（2）用測(cè)試導(dǎo)線的長(zhǎng)度替代dGC和dGP.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，測(cè)試人員查看了地網(wǎng)竣工圖，也計(jì)算得知了風(fēng)機(jī)地網(wǎng)的最大物理尺寸D，但卻用電流極測(cè)試導(dǎo)線的長(zhǎng)度為4.5D和電壓極測(cè)試導(dǎo)線長(zhǎng)度為0.618倍電流極測(cè)試導(dǎo)線長(zhǎng)度的辦法來(lái)進(jìn)行布線測(cè)量，如圖8所示。由于山路彎曲的原因，此時(shí)dGC遠(yuǎn)小于電流極測(cè)試線的長(zhǎng)度，即不能滿足式（10）的要求；同時(shí)dGC和dGP也難以保證式（11）的關(guān)系；故這種測(cè)量方法是不滿足技術(shù)要求的，其測(cè)試結(jié)果是不可信和無(wú)效的。

（3）電流極與電壓極的測(cè)試導(dǎo)線間距太小?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，檢測(cè)人員為了放線和收線的方便，往往會(huì)將電流極和電壓極的測(cè)試線沿道路的一邊布置，導(dǎo)致兩導(dǎo)線的間距很小，電流導(dǎo)線和電壓導(dǎo)線間會(huì)形成互感效應(yīng)，從而影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。通常兩線的間距越小或并行的距離越長(zhǎng)，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性就越差，為了降低這種測(cè)量誤差，在管理中可要求測(cè)試人員將電流和電壓測(cè)試導(dǎo)線分別敷設(shè)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(shí)的解決辦法?，F(xiàn)實(shí)中，在山區(qū)風(fēng)機(jī)地網(wǎng)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(dāng)放寬“三點(diǎn)成一線”條件來(lái)設(shè)計(jì)布線方案（如圖8），通過(guò)測(cè)量和修正計(jì)算得出真實(shí)的風(fēng)機(jī)地網(wǎng)接地電阻值。修正公式如下：

式中：R為風(fēng)機(jī)地網(wǎng)接地電阻值，Ω；R′為地網(wǎng)接地電阻的測(cè)量值，Ω。

3.5 風(fēng)機(jī)地網(wǎng)的運(yùn)行維護(hù)

由于風(fēng)機(jī)地網(wǎng)在施工中采用了降阻技術(shù)，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(wǎng)）的接地電阻值；隨著時(shí)間的推移以及地質(zhì)地貌的變化，回填材料中的導(dǎo)電粒子會(huì)因雨水的不斷沖釋而逐漸流失，電阻率會(huì)逐漸升高，從而有可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)地網(wǎng)的接地電阻值不能滿足4 Ω的要求。

為了保證風(fēng)機(jī)的運(yùn)行安全，每年對(duì)風(fēng)機(jī)地網(wǎng)進(jìn)行一次地網(wǎng)接地電阻值和導(dǎo)通性的測(cè)試，每次檢測(cè)都應(yīng)進(jìn)行登記備查，發(fā)現(xiàn)不滿足電阻率標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)機(jī)應(yīng)及時(shí)上報(bào)生產(chǎn)部門(mén)安排專業(yè)施工單位進(jìn)行修復(fù)，避免風(fēng)機(jī)設(shè)備安全運(yùn)行遭受雷擊影響。

4 結(jié)語(yǔ)

在沿海山地復(fù)雜地質(zhì)條件風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中，雖然因地理、地質(zhì)和氣候條件的原因，致使風(fēng)機(jī)地網(wǎng)的設(shè)計(jì)、施工與內(nèi)陸地區(qū)或潮間帶等其它地區(qū)存在較大的變化，但是只要能針對(duì)風(fēng)機(jī)地網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工的特殊性，找出解決影響施工質(zhì)量關(guān)鍵問(wèn)題，分析、制定出應(yīng)對(duì)措施予以實(shí)施，相信風(fēng)機(jī)地網(wǎng)質(zhì)量是可控且滿足設(shè)計(jì)和生產(chǎn)要求的，從而保證風(fēng)電場(chǎng)防雷措施和安全運(yùn)行。