彭伟林

中电建新能源集团股份有限公司华东分公司 工程建设部，浙江杭州，310014

0 引言

在全球化石能源供应紧缺的大背景下，作为新型清洁能源之一的风能，受到了世界各国的着重关注。时至今日，风能已经成为我国能源结构的主力军，风力发电机组的装机容量与日俱增，随着我国风电产业技术的发展，风电场建设规模越来越大，很多风电场被安置在海边、山地等环境中，导致雷电灾害逐渐成为影响风电场安全运行的关键自然灾害，一旦风力发电机组遭受雷击，不仅会破坏机组自身结构，甚至威胁工作人员的人身安全。所以，为保障整个风电场的风电机组稳定运行及工作人员生命安全，机组的防雷接地装置至关重要，当机组遭受雷击时，防雷接地装置可以将冲击性的雷电泄放入地，防止发生雷击事故。一般来说，接地电阻是表征风电场防雷接地装置性能的重要参数，阻值大小直接体现了防雷接地装置的泄放电流与稳定电位能力，通常防雷接地电阻的阻值越小，防雷接地装置的保护性能越优秀。因此，本文针对山地风电场防雷接地降阻的设计进行深入研究，为推动我国风力发电技术的健康发展提供理论依据。

1 山地风电场典型防雷接地设计

雷电是一种强烈的放电现象，会给山地风电场内风电机组带来严重影响[1]，本文针对山地风电场防雷接地降阻设计进行研究，首先探讨风电机组的典型接地装置结构设计。一般情况下，为满足风电机组对风速的要求，我国风电场会建设在地质条件多为石质土壤的山地，这种山地土壤电阻率通常较高，所以风电机组的接地电阻很难满足防雷要求[2]。根据相关规定要求，当风电机组遭受雷击时，为保证机组不受雷击影响，仍可以安全运行，需要以机组为中心设置防雷接地网，一般防雷接地网由自然接地体和人工接地体组成，其中自然接地体就是风力发电机组的钢筋混凝土基础，人工接地体又分为水平与垂直这两种接地体，示意图如图1所示。

图1 山地风电场典型防雷接地网结构示意图

如图1所示，在山地风电场典型防雷接地网结构中，通常设置环形的水平接地体，并在水平环上等距焊接垂直接地体[3]，以此组成人工接地体结构，这样就可以和自然接地体一起起到防雷作用，而且只有接地网结构埋在土壤中才能发挥出散流的作用。

2 测量防雷接地电阻

为设计山地风电场防雷接地降阻方案，需要测量出风电机组实际的防雷接地网的接地电阻[4]，本文主要采用三极法进行测量，布线示意图如图2所示。

图2 防雷接地电阻测量示意图

如图2所示，在利用三极法测量防雷接地网的接地电阻时，分别布置了接地极、电压极以及电流极I，假设这三个电极均为半球形，且半球形的半径r均在电极与电极之间布线距离、、之下。其中本文在电压级与接地极之间设置了电压表，所以回路电阻较大，几乎无电流流过，此时测试电流经过接地体流入大地[5]，电压极产生的电位差为：

根据式（1）与式（2）即可计算出，接地极与电压极之间的电位差为：

根据该电位差和测试电流，即可获得风电场防雷接地网的接地电阻[6]，计算公式如下：

3 确定接地电阻的影响因素

如果山地风电场防雷接地网的接地电阻值无法满足防雷需求，就需要采用有效措施进行降阻[7]。本文在探讨防雷接地电阻的降阻措施时，首先需要确定接地电阻的影响因素，根据文中上述内容可知，在测量风电场防雷接地网接地电阻时，土壤电阻率[8]是关键参数，对接地电阻值的大小起着重要作用，土壤电阻率越大，接地电阻值越大。在山地风电场防雷接地降阻设计中，为获取准确的土壤电阻率，本文采用机械手摇指针式接地电阻测试仪作为测量仪器，并以等距法对风电机组点位的土壤电阻率进行多角度测量，示意图如图3所示。

图3 土壤电阻率测量示意图

结合图3所示内容，本文根据下式计算山地风电场防雷接地网的土壤电阻率[9]：

式中，D表示测试仪电极之间的距离；H表示测试仪电极埋入土壤的深度；u表示测试仪电极C1与C2之间的电压；i表示测试仪电极P1与P2之间的电流。以上，本文确定土壤电阻率为山地风电场防雷接地网的接地电阻的主要影响因素，下面将制定相应的降阻措施。

4 制定降低接地电阻的措施

针对上节内容获取的土壤电阻率为山地风电场防雷接地网接地电阻的主要影响因素，本文将采取更换土壤与使用降阻剂的措施来降低接地电阻值[10]。首先，由于不同土壤之间的土壤电阻率各不相同，所以为降低风电机组防雷接地网的接地电阻，本文将原来接地网处土壤电阻率较高的土壤更换为土壤电阻率较低的土壤，在进行土壤更换施工时，需要根据实际经验，确定土壤的更换范围，一般来说，从风电机组接地网的表面算起，接地网尺寸10倍范围内土壤对接地电阻影响最大，所以本文将在这个范围内进行土壤更换施工。然后，为使土壤获得更好的电流泄散条件，从而降低电阻率，本文在土壤中使用降阻剂，降阻剂主要由导电性强且电阻率低的成分组成，包括化学、物理等多种类型，在实际降阻过程中，需要根据山地风电场的实际情况，选择合适的降阻剂，将其直接埋设在防雷接地网所在土壤区域[11]，降阻剂的使用相当于增加了防雷接地网的尺寸，所以对电流泄放有促进作用。在使用降阻剂进行风电场防雷接地降阻时，可以根据下式所示降阻率来衡量降阻剂的使用效果：

式中，γ表示降阻剂的降阻率；R0、R1分别表示降阻剂埋设前后风电场防雷接地网的接地电阻测量值。在山地风电场防雷接地降阻设计中，已知防雷接地装置的接地电阻与土壤电阻率密切相关，所以本文制定了更换土壤与使用降阻剂这两项措施，来降低山地风电场防雷接地电阻[12]。

5 实例分析

5.1 项目介绍

本章将结合某山地风电场的实际情况，对本文研究的风电场防雷接地降阻设计方案的有效性进行验证。某风电场位于我国西北地区，海拔高程约1850～2030m，有效占地面积约为12.8km2。项目主要利用山上风能资源充足，依靠常年几乎不间断的风力，吹动风力发电机组的叶片，进而转换为社会所需电能，为附近区域提供电源支撑。计划该风电场总装机容量为28.8MW，安装24台风力发电机组，根据《风电场接入电网技术规定》，该项目选用表1所示的低压直驱兆瓦级风力发电机组。

表1 风力发电机组参数表

在该项目中，将这24台风力发电机组分为2组，每一组的风电机构成一个集电单元，经35kV架空输电线路将收集的电能输送至风电场的变压器中，经过变压器升压后输送到电网中。由于风电场所处地区四季分明，夏季多雨，同时山区地形不开阔，易出现雷电灾害，对风电场防雷接地性能十分看重，所以本文依托该项目来验证设计的接地降阻措施的有效性。在进行山地风电场防雷接地降阻工作时，首先需要根据文中上述内容分别测量出各风电机组点位的平均土壤电阻率，详细结果如表2所示。

表2 风电机组土壤电阻率实测表

如表2所示，在该风电场中，计划安装的24台风电机组被划分为2组，土壤电阻率处于0～1500Ω·m的11台风电机组按A型防雷接地网进行设计，剩余13台土壤电阻率处于1500～3000Ω·m的风电机组按B型防雷接地网进行设计。其中A型防雷接地网主要按1500Ω·m的土壤电阻率进行设计，以镀锌扁钢制成两个半径分别为18m与27m的水平接地环，其中半径为18m的接地环上均匀焊接20根热镀锌钢管制成的垂直接地体，半径为27m的水平接地环上均匀焊接32根热镀锌钢管制成的垂直接地体，以此形成一个综合防雷接地网，并采用6吨降阻剂进行降阻。B型防雷接地网主要按3000Ω·m的土壤电阻率进行设计，同样采用镀锌扁钢制作水平接地体，接地环半径分别为21m与32m，在21m接地环上焊接24根垂直接地体，32m接地环上焊接36根垂直接地体，形成综合防雷接地网后采用18吨降阻剂进行降阻。

5.2 防雷接地降阻效果分析

按照我国相关规程中规定，山地风电场土壤电阻率≤5000Ω·m时，接地电阻需要在4Ω以下才能认为防雷接地设计合格，本章将通过计算A型接地网与B型接地网的冲击接地电阻，来评估设计的防雷接地降阻方案的散流能力是否符合要求。首先根据文中上述内容所提接地电阻的计算方法，分别计算出A型防雷接地网中各接地体的接地电阻，结果如表3所示。

表3 A 型防雷接地网的接地电阻

由上表中数据可以看出，A型防雷接地网的冲击接地电阻为3.16Ω，小于4Ω，满足山地风电场防雷接地降阻设计要求。同理，分别计算出B型防雷接地网中各接地体的接地电阻，结果如表4所示。

表4 B 型防雷接地网的接地电阻

由上表中数据可以看出，B型防雷接地网的冲击接地电阻为3.38Ω，小于4Ω，也满足山地风电场防雷接地降阻设计要求。综上，本文根据山地风电场的实际情况，为24台风电机组的防雷接地降阻提供了2种设计方案，无论是何种设计方案，在项目完成后均可以达到雷电冲击接地电阻小于4Ω的防雷要求，由此可以说明，本文研究的山地风电场防雷接地降阻设计是可行且可靠的。

6 结语

本文针对山地风电场，深入研究了防雷接地降阻的设计，探讨了防雷接地电阻的测量技术与影响因素，并制定出相应的降阻措施。最后，本文根据实例分析，证实了设计的防雷接地降阻方案的可靠性与合理性。由于我国开展风电场防雷接地降阻研究较晚，所以仍有很多问题有待研究，如根据风电机组的雷击特性，确定机组的损害机理与治理方法等。