摘 要：風電場防雷是風電場運行維護中的重要部分，接地技術是為了防止電力或電子等裝置遭受雷擊而引入的保護性措施。本文研究了IEC風機接地規(guī)范中的接地電阻公式，并進行理論計算，IEC公式的計算結果具有一定指導意義，同時與國標進行比較，結論為增加外延射線對降低工頻接地電阻是行之有效的，但對沖擊電流則效果有限，實際設計過程中應根據風機環(huán)境選擇合適的算法進行計算。

關鍵詞：風電場接地計算；IEC標準；山地風電場

中圖分類號：TM 614" " " " " 文獻標志碼：A

風電場防雷是風電場運行維護中的重要部分，其重要性在于確保風力發(fā)電機組和相關設備在雷電活動中能夠有效排除雷電放電的影響，從而保障設備的安全性、可靠性和壽命。

設計和運營風電場時，防雷接地都是綜合工程規(guī)劃的重要部分，需要選擇合適的接地材料、布置接地極并考慮土壤電阻率等因素。維護人員還應定期檢查、測試防雷接地系統(tǒng)，確保其始終處于良好的工作狀態(tài)。

由于雷電導致的風電場雷擊事件呈逐年增長趨勢，雷擊造成的葉片、機組電控設備損傷嚴重，因此雷擊已經成為影響風電機組安全運行、風電場安全生產的危險因素之一。接地技術是為了防止電力或電子等裝置遭受雷擊而引入的保護性措施[1]。

在風電場接地設計中，需要在技術和經濟合理的情況下最大程度地滿足安全運行。針對內陸風電場多布置于山區(qū)的特點，需要充分了解場地的地質和土壤電阻率情況，以選擇合適的接地措施以滿足安全運行的要求。

1 接地系統(tǒng)的雷電沖擊特性

在沖擊電流作用下，接地裝置的阻抗為暫態(tài)阻抗，隨時間而發(fā)生變化。一般將沖擊電壓的最大值與沖擊電流的最大值之比定義為沖擊接地電阻。

土壤電阻率對沖擊電流作用下接地網的暫態(tài)性能有較大影響。隨著土壤電阻率增加，沖擊接地電阻也相應增加。但當土壤電阻率較高時，根據E=ρJ，在相同的電流密度J下，接地網周圍的場強E隨電阻率ρ增加而增加，土壤的擊穿厚度相應增加，土壤擊穿引起的火花效應也明顯增加強，相應地沖擊電阻受電阻率的影響減弱，因此此時沖擊電阻隨土壤電阻率增加而增加的速度下降，并有飽和的趨勢。沖擊電流或雷電流通過接地體流向大地時，接地體呈現的電阻稱為沖擊接地電阻。

2 接地電阻的計算

山地風電場接地電阻的計算涉及多個因素，包括土壤電阻率、接地極的數量和布置和接地極材料等。接地電阻是為了確保系統(tǒng)的安全運行并保護設備免受雷擊等電力系統(tǒng)異常情況的影響。

一般國內項目采用國標《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范（GBT 50065—2011）》，國際項目更多采用IEC標準Wind energy generation systems-Part 24：Lightning protection（IEC 61400-24：2019）進行計算。

風電場的接地電阻計算通常涉及土壤特性、接地極的布置/形狀以及電極的長度等因素?；贗EC標準的一般步驟包括以下7步。1）收集土壤參數。根據IEC標準，需要收集有關土壤的參數，如電阻率。這些參數將影響接地電阻的計算。2）確定接地系統(tǒng)的類型。確定風電場接地系統(tǒng)的類型，例如網狀接地系統(tǒng)或者地網系統(tǒng)。這會影響計算的方式。3）計算水平地網的電阻。對于水平地網，可以使用一般的接地電阻公式進行計算。IEC標準提供了具體的計算方法和公式。4）計算垂直地網的電阻。如果系統(tǒng)包括垂直地網，需要計算垂直地網的電阻。通常需要考慮垂直電極的長度、形狀和數量。5）考慮接地極的分布。考慮接地電極的分布，確保它們在整個風電場中均勻分布，以取得更好的接地效果。6）考慮接地系統(tǒng)的深度。根據IEC標準計算接地系統(tǒng)的有效深度，需要考慮土壤的分層結構。7）驗證和優(yōu)化。驗證計算結果是否符合IEC標準的要求，并根據需要進行優(yōu)化。

IEC公式的特點是計算每項接地措施后引入一個相互接地電阻，然后在其影響下計算最終的綜合接地電阻。

IEC標準的接地要求采用網狀結構的接地網，可降低風機的雷擊風險，提高風機的安全性，防止局部接地電阻過高，并提高接地網的均勻性。而這些區(qū)別也帶來了一定的成本差異。IEC標準的接地要求更嚴格，需要使用質量更高的接地材料，因此成本會更高。網狀結構的接地網需要更多的接地線，因此成本也會更高。

在實際應用中，可以根據風機的具體情況選擇合適的接地標準。對于高風險地區(qū)的風機，可以采用IEC標準的接地要求，以確保風機的安全性。對于成本敏感的風機，可以采用國標的接地要求，以降低成本。

3 接地網的工頻電阻特性

大多數接地系統(tǒng)設計的標準做法是使用某種形式的計算機軟件進行生產，因為這些軟件能夠準確分析該類系統(tǒng)中通常使用的多個元件間的相互作用。其中一些系統(tǒng)能夠分析接地系統(tǒng)對瞬態(tài)電流的響應，例如雷電產生的電流。此類工具通常會給出最準確的結果。在此類工具不可用的情況下，可以使用如下簡單接地電極配置和組合公式[2]。

3.1 不同接地方式接地電阻的計算

dlt;lt;L時的水平接地體接地電阻如公式（1）所示。

（1）

式中：R為水平接地體接地電阻；ρ為土壤電阻率；L為接地極的長度；a為接地極的等效半徑；d為接地電埋藏深度。

當某個公共點有n條對稱輻射的水平接地體時，如公式（2）所示。

（2）

式中：n為對稱輻射的水平接地體數量。

在上式中，假設任意2個相鄰電極間的角度相同，因此在n=2的情況下，電極從公共點向相反方向延伸，所有導體都承載相同的電流。

Lgt;gt;a時的垂直接地極時接地電阻如公式（3）所示。

（3）

設2個等長的垂直接地極相隔距離為a12，當a12lt;lt;L時，可用公式（4）。

（4）

當a12gt;gt;L時，可用公式（5）。

（5）

設置n根長度相等的棒以等空間排列在直徑為D的圓上，當Dlt;lt;L時，如公式（6）所示。需注意，其中n根接地棒通過電纜連接。

（6）

式中：D為環(huán)形接地極的直徑；n為接地棒的數量。

當在直徑為D的圓上以相等的空間排列n根接地棒且地棒間的間距等于或大于桿的長度時，可用公式（7）。

（7）

環(huán)形接地極如公式（8）所示。

（8）

3.2 環(huán)形接地網輔以垂直接地極的計算

在環(huán)形接地網輔以垂直接地極的情況下，環(huán)形接地網接地電阻R1利用公式（8）計算。當n根等長的垂直接地極布置在直徑為D的圓上且接地極間的間距等于或大于桿的長度時，垂直接地極電阻R2利用公式（7）計算。

環(huán)形接地網和垂直接地極間的相互接地電阻R3如公式（9）所示。

（9）

式中：e為自然常數。

最終接地體綜合電阻R如公式（10）所示。

（10）

式中：R1為環(huán)形接地網接地電阻；R2為垂直接地極電阻；R3為連接點接地電阻；R為環(huán)形接地網輔以垂直接地極時總的接地電阻。

3.3 環(huán)形接地網輔以外延射線的計算

在環(huán)形接地網輔以垂直接地極的情況下，環(huán)形接地網接地電阻R1利用公式（8）計算。輔助設置n根外延射線，外延射線的接地電阻R2利用公式（2）計算。環(huán)形接地網與布置在直徑為D的圓上的外延射線間的相互接地電阻R3利用公式（9）計算。最終接地體綜合電阻R參考公式（10）。

4 接地電阻的理論計算

接地電阻的理論計算包括3個已知條件。1）接地電阻允許值R≤4Ω。2）土壤電阻率取ρ=2000Ω·m。3）水平接地極采用（-60×6）mm的熱鍍鋅扁鋼，垂直接地極采用（50×50×5）mm、2.5m的長角鋼。還需要外延4根50m射線并布置4口20m接地深井。

計算過程主要采用IEC規(guī)范中明確的公式進行。內環(huán)環(huán)形接地網利用公式（8）進行計算，其中環(huán)形接地網直徑D=20m，接地極埋設深度d=3m。計算可得接地網水平接地電阻為53.1Ω。垂直接地極利用公式（7）進行計算，計算可得接地電阻為157.4Ω。兩者連接電阻根據公式（9）進行計算，可得35.7Ω。最終得出綜合接地電阻為50.92Ω。

對外接地環(huán)連接導體電阻參考公式（2）進行計算，可得導體接地電阻為125.4Ω，連接電阻為32.23Ω，最終接地電阻為47.8Ω。

外環(huán)環(huán)形接地網參考內環(huán)計算方法，綜合接地電阻為18.35Ω。垂直接地極接地電阻為86Ω。主地網接地電阻為14.54Ω。

明顯不滿足接地要求。因此在風機基礎外增加4條外延射線和接地深井。

其中外延射線接地電阻參考公式（2）、接地深井參考公式（7）。經計算，外延射線接地電阻為37.7Ω，接地深井接地電阻為6.12Ω。

結果見表2。

表2 IEC公式接地電阻計算結果

接地電阻計算結果（Ω）

水平接地體 18.35

垂直接地極 86

連接后 14.54

外延射線 37.7

連接后 11.9

接地深井 6.12

連接后 5.53

5 IEC標準與國標的計算比較

同樣的設計方案在國內已被風場采用并通過驗收，根據國標公式進行計算的結果見表3。

經過比較可以看出2種接地計算方法的主要區(qū)別在于外延射線的接地電阻計算和不同接地裝置直接連接后整體接地電阻的處理。

對于國標，不同接地體間連接沒有特別說明，再一般計算中需要考慮添加并聯(lián)系數進行折算。此項兩者區(qū)別不大。主要差距為外延射線接地電阻的計算結果，國標計算下外延射線接地電阻不到IEC標準的一半。同時考察不同外延射線數量下的計算結果，見表4。

表3 國標公式接地電阻計算結果

接地電阻計算結果（Ω）

水平接地體 19.4

垂直接地極 54.8

連接后 15.93

外延射線 17.08

連接后 9.16

接地深井 5.44

連接后 3.79

當延長外延射線時，接地電阻甚至出現負數情況。外延射線的增多和加長雖然可以改善接地電阻，但時IEC標準中的計算可能會出現急劇降低接地電阻的情況，甚至出現負數情況。經過多種數據計算分析，原因可能是IEC公式僅考慮1～2種接地措施，同時外延射線公式為一點連接的多根射線，更多用于桿塔接地。

經初步分析，IEC考慮外延射線與接地體間電容電流所產生的接地電阻。國標計算方法是根據電阻分流原理計算的，忽略了外延射線與接地體間電容電流的影響。IEC標準計算方法則考慮了電容電流的影響，因此計算結果更準確。

在實際應用中，由于風電場經常利用匯集線路接地，匯集線路的長度較長，故障電流較大，因此外延射線與接地體間電容電流的影響較為明顯?？梢娀贗EC標準的計算方法更適用于風電場外延射線接地電阻的計算。

此外，IEC標準計算方法還考慮了外延射線的形狀對接地電阻的影響。國標計算方法則假設外延射線為圓形，而實際情況中外延射線的形狀可能為橢圓形或其他形狀。IEC標準計算方法可以根據外延射線的實際形狀進行計算，因此計算結果更準確。

國標的計算方法計算簡單，易于掌握，但計算結果不夠準確，尤其是在外延射線長度較長、故障電流較大的情況下。

IEC標準計算結果更準確，尤其是在外延射線長度較長、故障電流較大的情況下。但計算復雜，需要一定的專業(yè)知識。

在實際應用中，可以根據風機的具體情況選擇合適的接地標準。對于高風險地區(qū)的風機，如風機安裝在雷雨頻繁的地區(qū)、風機附近有高壓電線或其他危險設施，建議采用IEC的考慮電容電流的方法進行外延射線接地電阻的計算。因為在這些工程中，外延射線長度通常較長，故障電流也較大，電容電流的影響較明顯。如果采用國標的方法進行計算，可能會導致接地電阻計算結果不準確，從而影響風電場安全運行。

對于成本敏感的風機，在確定周圍環(huán)境風險性較低的情況下，可以根據實際情況選擇采用國標的方法或IEC的方法進行計算。如果外延射線長度較短，故障電流較小，可以采用國標的方法進行計算。

6 結語

隨著風電機組容量不斷增大，接地短路電流越來越大，接地裝置對設備和人身安全的影響也越來越大。

在實際應用中，需要進一步進行實地試驗和驗證，外延射線的設計和布置需要根據具體的工程環(huán)境和土壤條件來調整，綜合考慮土壤特性、氣象條件和法規(guī)要求是確保接地系統(tǒng)有效性的關鍵。

作為國際標準，IEC是國際風電項目設計中的基礎與依據。本文通過分析其計算結果并與國標公式進行比較，發(fā)現其算法對外延射線的分析、建模方式與國標差異較大?？紤]國內規(guī)范在要求高土壤電阻率的情況下限制了外延射線長度，在實際項目中，增加外延射線對降低工頻接地電阻是行之有效的，但對沖擊電流來說效果有限。

在工程領域中，理論計算和實際應用間的差距是常見的。有時，理論模型可能無法完全捕捉到所有復雜因素，從而造成實際應用中的缺陷。在理論計算中，增加外延射線以降低工頻接地電阻是一個實際可行的方法，但對沖擊電流的效果有限。

同時，IEC公式的計算結果具有一定的指導意義，表明理論模型在某些情況下仍然是有用的，但采用將遠距離外延射線作為降低接地電阻的方案時需要謹慎。在工程中需要綜合考慮各種因素，并根據具體情況做出慎重決策。

在具體設計過程中，對于高風險地區(qū)的風機，建議采用IEC的考慮電容電流的方法進行計算。對于成本敏感的風機，在確定周圍環(huán)境風險性較低的情況下，可以采用國標的方法進行計算。

本文研究了IEC風機接地規(guī)范中的接地電阻公式，并進行理論計算，同時與國標進行了比較，發(fā)現其理論計算在實際應用中的缺陷。結合工程實際可知增加外延射線對降低工頻接地電阻是行之有效的，但對沖擊電流的效果有限。IEC公式的計算結果具有一定的指導意義，后續(xù)工程應謹慎將遠距離外延射線作為降低接地電阻的方案。

參考文獻

[1]鄭明，劉剛，周冰，等.風電場防雷與接地[M].北京：中國水利水電出版社，2016.

[2]International Electrotechnical Commission.Wind energy generation

systems-Part 24：Lightning protection：IEC 61400-24：2019[S].Geneva：International Electrotechnical Commission，2019：164-166.