陆上风电场防雷接地设计的探讨

汪鹏

摘 要：本文主要结合陆上风电场防雷接地的特点给出了具有针对性的设计方案，并通过理论计算验证了方案的可行性。同时提出了风电场防雷接地施工过程中的关键节点，对陆上风电场的防雷接地设计有一定指导意义。

关键词：风力发电机组 接地网 设计方案 风电场

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（b）-0094-02

随着我国风电产业的迅速发展，风电总装机在全部发电装机中的比重越来越高。然而风电场利用小时数平均维持在1800小时左右，尚有一定的提升空间，所以降低风电场事故率，保证发电量，提高利用小时数是风电发展中的关键。风力发电机组是陆上风电场建设投资最大的设备，占风电场总投资的60%左右。由于陆上风力发电机组大多布置于空旷的地区甚至高海拔的山区，加之其构造特点，使其极易遭受雷击。一旦遭到雷击，雷击引起过电压将造成风机内部电气一次设备的击穿，电气二次设备元件的烧毁，更换受损部件的费用巨大，同时还将损失因事故造成的发电量。所以雷电危害是风电场安全运行、经济生产的严重威胁，为减小这一威胁，风电场防雷接地设计是关键。

1 陆上风电场防雷接地的特点

陆上风电场占地面积大，所处地区基本为平原和山地，所以陆上风力发电机组的安装位置基本暴露于雷击之中。而陆上风力发电机组属高建筑，轮毂高度在100 m以上，叶尖高度可达150 m，所以极易遭受雷击。据统计，全世界每年都有1%～2%的风机叶片遭受雷击，而叶片材料多为复合材料，没有承受直接雷击的能力和传导雷电流的功能。雷电流必须通过风机本身的防雷引下装置流入风机平台下的接地系统，散流于大地。因此，良好的接地系统是保证雷击过程中风力发电机组安全运行的基本条件。

根据相关规程要求，陆上风力发电机组的接地系统包括风机和箱变的工作接地、系统接地、防雷接地和保护接地，其工频接地电阻值按风机制造商要求须小于4 Ω，冲击接地电阻须小于10 Ω。陆上风电场场址通常接地条件较差，常规的接地方设计方案很难使风力发电机组的接地系统满足规程规范的要求。因此，陆上风电场的防雷接地设计可考虑采用高效、可靠的接地降阻材料，以及优化的接地设计方案。

2 陆上风电场防雷接地的设计思路

陆上风力发电机组接地可采用基础内部设置接地网与基础外部的风机平台接地网连接，即风力发电机组的内部接地网与风机平台接地网连接起均压的作用，而风机平台接地网中可设置垂直接地极，起疏散雷电流的作用。根据规程规范要求，最终连接在一起的接地网须满足接地电阻不大于4 Ω的要求。

风力发电机组基础内部的接地网是以风力发电机组基础中心为圆心，根据不同基础大小设置半径不同的3圈环形水平接地体，材料可选用-60×6 mm的热镀锌扁钢。风力发电机组基础外部的风机平台接地网则是在基础内部的接地网的基础上，以风力发电机组基础中心为圆心，半径应大于风机基础，向外设置1圈环形水平接地体，最内圈环形水平接地体可敷设在风机混凝土基础外开挖的基坑内，半径以及形状可根据风机基础的开挖情况和现场情况而定。在改环形水平接地体上每隔约10 m左右设置一根L50×5×2500 mm的热镀锌角钢，局部遇到岩石处，以打到岩石为止。

风力发电机组基础内部的接地网引出4处接地线与塔筒内部接地线可靠连接，安装在风机平台处的箱变接地网引出2处接地线与风机平台接地网可靠连接。

2.1 单台风力发电机组接地理论计算

根据规程规范中以水平接地极为主边缘闭合的复合接地网的工频接地电阻值计算公式：

在等效接地半径r的范围内，从风机基础内部的接地网外圈通过水平接地体与基础外部的风机平台接地网相连，在风机基础内部接地网外引的水平接地体和风机平台接地网中埋设接地上相隔一定的距离分别放置垂直电解地极，电解地极中的电解物质可向四周渗透，将风机基础周围的土壤进行改善，极大地降低了风机基础周围的土壤电阻率，使得风机平台接地网的接地电阻大幅度下降。故在风机平台接地网设计中，对于高土壤电阻率的风力发电机组基础，可通过在外引接地线和风机平台接地网中设置垂直电解地极方式来进行降低接地电阻值。

2.2 单台风机平台接地网施工设计方案

风机平台接地网采用水平接地体、电解地极为主，垂直接地极为辅组成复合接地网。水平接地体采用-60×6 mm热镀锌扁钢，垂直接地极采用L50×5×2500 mm热镀锌角钢。利用风力发电机组基础作为自然接地体，根据现场实际情况及土壤电阻率敷设人工接地网。

以风机中心为圆心设置环形水平接地体，在距以风机中心为圆心半径约18 m处，设置一圈接地均压环，在该均压环上每隔约10 m打一根L50×5×2500 mm的热镀锌角钢，共10根。同时从风机中心向外敷设数根水平接地扁钢与环形水平接地扁钢相交，水平接地网敷设深度根据规程规范要求不应小于0.8 m，水平接地网敷设时如遇到岩石则敷设到岩石为止。

在每个风力发电机组接地装置按设计要求完成后，根据接地要求及现场实际情况，向基础外敷设2～3条外延接地线，并在接地线上埋设电解地极。电解地极的埋设深度不应小于0.8 m，将地极放置就位后与预留的水平接地体可靠连接。连接完成后在电解地极放置处倒入专用回填材料，将电解地极均匀覆盖，最后用开挖土回填夯实。

在风机平台接地网施工时，各交叉点均应双面可靠焊接，不允许虚焊、假焊现象，焊接处采取涂防腐漆或沥青等防腐蚀措施。

每个风机平台接地网敷设完毕后，应对其接地电阻值进行测量，确保满足接地电阻满足规程规范的要求。

2.3 陆上风力发电机组防雷设计优化

风电场防雷接地设计除上述内容外，还可根据已投产风电场的运行经验，对风力发电机组的防雷设计进行有针对性的优化：

（1）改善风力发电机组叶片防雷系统。

（2）通过改变接地方式，将防直击雷的接地与防感应雷的接地分开。

（3）在易遭到直接雷和反击雷的击关键部位加装避雷器和浪涌保护器。

（4）保证风力发电机组设备接地线与风机平台接地网的可靠连接。

3 结语

为适应我国风电产业发展的特点，保证风电场运行后能带来预期的经济效益，风电场防雷接地设计的合理、可靠是风电场各个设计环节中的关键因素之一。但因风力电发电机组的构造特殊，风电场所处自然环境恶劣，为避免风电场因雷击故障造成的损失，应重视风电场的防雷设计工作。因此，在风电场防雷接地设计中，因根据各个风电场的实际工程情况，给予针对性的设计，旨在促进风电产业获得良好的社会、经济效益。

参考文献

[1] 王小英，张赛忠，郑鸽.降低山区接地电阻的若干措施[J].建筑电气，2009，7（10）：182-183.

[2] 王春莹，高雪莲.某电厂防雷接地系统简析[J].科技情报开发与经济，2011，8（15）：322-323.

[3] 尹慧勇.风电机组的防雷技术[J].硅谷，2011，9（1）：522-523.

[4] 邱传睿，林毅龙，李永毅.风电机组的防雷和防雷标准[J].风能，2010，12（3）：822-823.endprint

摘 要：本文主要结合陆上风电场防雷接地的特点给出了具有针对性的设计方案，并通过理论计算验证了方案的可行性。同时提出了风电场防雷接地施工过程中的关键节点，对陆上风电场的防雷接地设计有一定指导意义。

关键词：风力发电机组 接地网 设计方案 风电场

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（b）-0094-02

随着我国风电产业的迅速发展，风电总装机在全部发电装机中的比重越来越高。然而风电场利用小时数平均维持在1800小时左右，尚有一定的提升空间，所以降低风电场事故率，保证发电量，提高利用小时数是风电发展中的关键。风力发电机组是陆上风电场建设投资最大的设备，占风电场总投资的60%左右。由于陆上风力发电机组大多布置于空旷的地区甚至高海拔的山区，加之其构造特点，使其极易遭受雷击。一旦遭到雷击，雷击引起过电压将造成风机内部电气一次设备的击穿，电气二次设备元件的烧毁，更换受损部件的费用巨大，同时还将损失因事故造成的发电量。所以雷电危害是风电场安全运行、经济生产的严重威胁，为减小这一威胁，风电场防雷接地设计是关键。

1 陆上风电场防雷接地的特点

陆上风电场占地面积大，所处地区基本为平原和山地，所以陆上风力发电机组的安装位置基本暴露于雷击之中。而陆上风力发电机组属高建筑，轮毂高度在100 m以上，叶尖高度可达150 m，所以极易遭受雷击。据统计，全世界每年都有1%～2%的风机叶片遭受雷击，而叶片材料多为复合材料，没有承受直接雷击的能力和传导雷电流的功能。雷电流必须通过风机本身的防雷引下装置流入风机平台下的接地系统，散流于大地。因此，良好的接地系统是保证雷击过程中风力发电机组安全运行的基本条件。

根据相关规程要求，陆上风力发电机组的接地系统包括风机和箱变的工作接地、系统接地、防雷接地和保护接地，其工频接地电阻值按风机制造商要求须小于4 Ω，冲击接地电阻须小于10 Ω。陆上风电场场址通常接地条件较差，常规的接地方设计方案很难使风力发电机组的接地系统满足规程规范的要求。因此，陆上风电场的防雷接地设计可考虑采用高效、可靠的接地降阻材料，以及优化的接地设计方案。

2 陆上风电场防雷接地的设计思路

陆上风力发电机组接地可采用基础内部设置接地网与基础外部的风机平台接地网连接，即风力发电机组的内部接地网与风机平台接地网连接起均压的作用，而风机平台接地网中可设置垂直接地极，起疏散雷电流的作用。根据规程规范要求，最终连接在一起的接地网须满足接地电阻不大于4 Ω的要求。

风力发电机组基础内部的接地网是以风力发电机组基础中心为圆心，根据不同基础大小设置半径不同的3圈环形水平接地体，材料可选用-60×6 mm的热镀锌扁钢。风力发电机组基础外部的风机平台接地网则是在基础内部的接地网的基础上，以风力发电机组基础中心为圆心，半径应大于风机基础，向外设置1圈环形水平接地体，最内圈环形水平接地体可敷设在风机混凝土基础外开挖的基坑内，半径以及形状可根据风机基础的开挖情况和现场情况而定。在改环形水平接地体上每隔约10 m左右设置一根L50×5×2500 mm的热镀锌角钢，局部遇到岩石处，以打到岩石为止。

风力发电机组基础内部的接地网引出4处接地线与塔筒内部接地线可靠连接，安装在风机平台处的箱变接地网引出2处接地线与风机平台接地网可靠连接。

2.1 单台风力发电机组接地理论计算

根据规程规范中以水平接地极为主边缘闭合的复合接地网的工频接地电阻值计算公式：

在等效接地半径r的范围内，从风机基础内部的接地网外圈通过水平接地体与基础外部的风机平台接地网相连，在风机基础内部接地网外引的水平接地体和风机平台接地网中埋设接地上相隔一定的距离分别放置垂直电解地极，电解地极中的电解物质可向四周渗透，将风机基础周围的土壤进行改善，极大地降低了风机基础周围的土壤电阻率，使得风机平台接地网的接地电阻大幅度下降。故在风机平台接地网设计中，对于高土壤电阻率的风力发电机组基础，可通过在外引接地线和风机平台接地网中设置垂直电解地极方式来进行降低接地电阻值。

2.2 单台风机平台接地网施工设计方案

风机平台接地网采用水平接地体、电解地极为主，垂直接地极为辅组成复合接地网。水平接地体采用-60×6 mm热镀锌扁钢，垂直接地极采用L50×5×2500 mm热镀锌角钢。利用风力发电机组基础作为自然接地体，根据现场实际情况及土壤电阻率敷设人工接地网。

以风机中心为圆心设置环形水平接地体，在距以风机中心为圆心半径约18 m处，设置一圈接地均压环，在该均压环上每隔约10 m打一根L50×5×2500 mm的热镀锌角钢，共10根。同时从风机中心向外敷设数根水平接地扁钢与环形水平接地扁钢相交，水平接地网敷设深度根据规程规范要求不应小于0.8 m，水平接地网敷设时如遇到岩石则敷设到岩石为止。

在每个风力发电机组接地装置按设计要求完成后，根据接地要求及现场实际情况，向基础外敷设2～3条外延接地线，并在接地线上埋设电解地极。电解地极的埋设深度不应小于0.8 m，将地极放置就位后与预留的水平接地体可靠连接。连接完成后在电解地极放置处倒入专用回填材料，将电解地极均匀覆盖，最后用开挖土回填夯实。

在风机平台接地网施工时，各交叉点均应双面可靠焊接，不允许虚焊、假焊现象，焊接处采取涂防腐漆或沥青等防腐蚀措施。

每个风机平台接地网敷设完毕后，应对其接地电阻值进行测量，确保满足接地电阻满足规程规范的要求。

2.3 陆上风力发电机组防雷设计优化

风电场防雷接地设计除上述内容外，还可根据已投产风电场的运行经验，对风力发电机组的防雷设计进行有针对性的优化：

（1）改善风力发电机组叶片防雷系统。

（2）通过改变接地方式，将防直击雷的接地与防感应雷的接地分开。

（3）在易遭到直接雷和反击雷的击关键部位加装避雷器和浪涌保护器。

（4）保证风力发电机组设备接地线与风机平台接地网的可靠连接。

3 结语

为适应我国风电产业发展的特点，保证风电场运行后能带来预期的经济效益，风电场防雷接地设计的合理、可靠是风电场各个设计环节中的关键因素之一。但因风力电发电机组的构造特殊，风电场所处自然环境恶劣，为避免风电场因雷击故障造成的损失，应重视风电场的防雷设计工作。因此，在风电场防雷接地设计中，因根据各个风电场的实际工程情况，给予针对性的设计，旨在促进风电产业获得良好的社会、经济效益。

参考文献

[1] 王小英，张赛忠，郑鸽.降低山区接地电阻的若干措施[J].建筑电气，2009，7（10）：182-183.

[2] 王春莹，高雪莲.某电厂防雷接地系统简析[J].科技情报开发与经济，2011，8（15）：322-323.

[3] 尹慧勇.风电机组的防雷技术[J].硅谷，2011，9（1）：522-523.

[4] 邱传睿，林毅龙，李永毅.风电机组的防雷和防雷标准[J].风能，2010，12（3）：822-823.endprint

摘 要：本文主要结合陆上风电场防雷接地的特点给出了具有针对性的设计方案，并通过理论计算验证了方案的可行性。同时提出了风电场防雷接地施工过程中的关键节点，对陆上风电场的防雷接地设计有一定指导意义。

关键词：风力发电机组 接地网 设计方案 风电场

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（b）-0094-02

随着我国风电产业的迅速发展，风电总装机在全部发电装机中的比重越来越高。然而风电场利用小时数平均维持在1800小时左右，尚有一定的提升空间，所以降低风电场事故率，保证发电量，提高利用小时数是风电发展中的关键。风力发电机组是陆上风电场建设投资最大的设备，占风电场总投资的60%左右。由于陆上风力发电机组大多布置于空旷的地区甚至高海拔的山区，加之其构造特点，使其极易遭受雷击。一旦遭到雷击，雷击引起过电压将造成风机内部电气一次设备的击穿，电气二次设备元件的烧毁，更换受损部件的费用巨大，同时还将损失因事故造成的发电量。所以雷电危害是风电场安全运行、经济生产的严重威胁，为减小这一威胁，风电场防雷接地设计是关键。

1 陆上风电场防雷接地的特点

陆上风电场占地面积大，所处地区基本为平原和山地，所以陆上风力发电机组的安装位置基本暴露于雷击之中。而陆上风力发电机组属高建筑，轮毂高度在100 m以上，叶尖高度可达150 m，所以极易遭受雷击。据统计，全世界每年都有1%～2%的风机叶片遭受雷击，而叶片材料多为复合材料，没有承受直接雷击的能力和传导雷电流的功能。雷电流必须通过风机本身的防雷引下装置流入风机平台下的接地系统，散流于大地。因此，良好的接地系统是保证雷击过程中风力发电机组安全运行的基本条件。

根据相关规程要求，陆上风力发电机组的接地系统包括风机和箱变的工作接地、系统接地、防雷接地和保护接地，其工频接地电阻值按风机制造商要求须小于4 Ω，冲击接地电阻须小于10 Ω。陆上风电场场址通常接地条件较差，常规的接地方设计方案很难使风力发电机组的接地系统满足规程规范的要求。因此，陆上风电场的防雷接地设计可考虑采用高效、可靠的接地降阻材料，以及优化的接地设计方案。

2 陆上风电场防雷接地的设计思路

陆上风力发电机组接地可采用基础内部设置接地网与基础外部的风机平台接地网连接，即风力发电机组的内部接地网与风机平台接地网连接起均压的作用，而风机平台接地网中可设置垂直接地极，起疏散雷电流的作用。根据规程规范要求，最终连接在一起的接地网须满足接地电阻不大于4 Ω的要求。

风力发电机组基础内部的接地网是以风力发电机组基础中心为圆心，根据不同基础大小设置半径不同的3圈环形水平接地体，材料可选用-60×6 mm的热镀锌扁钢。风力发电机组基础外部的风机平台接地网则是在基础内部的接地网的基础上，以风力发电机组基础中心为圆心，半径应大于风机基础，向外设置1圈环形水平接地体，最内圈环形水平接地体可敷设在风机混凝土基础外开挖的基坑内，半径以及形状可根据风机基础的开挖情况和现场情况而定。在改环形水平接地体上每隔约10 m左右设置一根L50×5×2500 mm的热镀锌角钢，局部遇到岩石处，以打到岩石为止。

风力发电机组基础内部的接地网引出4处接地线与塔筒内部接地线可靠连接，安装在风机平台处的箱变接地网引出2处接地线与风机平台接地网可靠连接。

2.1 单台风力发电机组接地理论计算

根据规程规范中以水平接地极为主边缘闭合的复合接地网的工频接地电阻值计算公式：

在等效接地半径r的范围内，从风机基础内部的接地网外圈通过水平接地体与基础外部的风机平台接地网相连，在风机基础内部接地网外引的水平接地体和风机平台接地网中埋设接地上相隔一定的距离分别放置垂直电解地极，电解地极中的电解物质可向四周渗透，将风机基础周围的土壤进行改善，极大地降低了风机基础周围的土壤电阻率，使得风机平台接地网的接地电阻大幅度下降。故在风机平台接地网设计中，对于高土壤电阻率的风力发电机组基础，可通过在外引接地线和风机平台接地网中设置垂直电解地极方式来进行降低接地电阻值。

2.2 单台风机平台接地网施工设计方案

风机平台接地网采用水平接地体、电解地极为主，垂直接地极为辅组成复合接地网。水平接地体采用-60×6 mm热镀锌扁钢，垂直接地极采用L50×5×2500 mm热镀锌角钢。利用风力发电机组基础作为自然接地体，根据现场实际情况及土壤电阻率敷设人工接地网。

以风机中心为圆心设置环形水平接地体，在距以风机中心为圆心半径约18 m处，设置一圈接地均压环，在该均压环上每隔约10 m打一根L50×5×2500 mm的热镀锌角钢，共10根。同时从风机中心向外敷设数根水平接地扁钢与环形水平接地扁钢相交，水平接地网敷设深度根据规程规范要求不应小于0.8 m，水平接地网敷设时如遇到岩石则敷设到岩石为止。

在每个风力发电机组接地装置按设计要求完成后，根据接地要求及现场实际情况，向基础外敷设2～3条外延接地线，并在接地线上埋设电解地极。电解地极的埋设深度不应小于0.8 m，将地极放置就位后与预留的水平接地体可靠连接。连接完成后在电解地极放置处倒入专用回填材料，将电解地极均匀覆盖，最后用开挖土回填夯实。

在风机平台接地网施工时，各交叉点均应双面可靠焊接，不允许虚焊、假焊现象，焊接处采取涂防腐漆或沥青等防腐蚀措施。

每个风机平台接地网敷设完毕后，应对其接地电阻值进行测量，确保满足接地电阻满足规程规范的要求。

2.3 陆上风力发电机组防雷设计优化

风电场防雷接地设计除上述内容外，还可根据已投产风电场的运行经验，对风力发电机组的防雷设计进行有针对性的优化：

（1）改善风力发电机组叶片防雷系统。

（2）通过改变接地方式，将防直击雷的接地与防感应雷的接地分开。

（3）在易遭到直接雷和反击雷的击关键部位加装避雷器和浪涌保护器。

（4）保证风力发电机组设备接地线与风机平台接地网的可靠连接。

3 结语

为适应我国风电产业发展的特点，保证风电场运行后能带来预期的经济效益，风电场防雷接地设计的合理、可靠是风电场各个设计环节中的关键因素之一。但因风力电发电机组的构造特殊，风电场所处自然环境恶劣，为避免风电场因雷击故障造成的损失，应重视风电场的防雷设计工作。因此，在风电场防雷接地设计中，因根据各个风电场的实际工程情况，给予针对性的设计，旨在促进风电产业获得良好的社会、经济效益。

参考文献

[1] 王小英，张赛忠，郑鸽.降低山区接地电阻的若干措施[J].建筑电气，2009，7（10）：182-183.

[2] 王春莹，高雪莲.某电厂防雷接地系统简析[J].科技情报开发与经济，2011，8（15）：322-323.

[3] 尹慧勇.风电机组的防雷技术[J].硅谷，2011，9（1）：522-523.

[4] 邱传睿，林毅龙，李永毅.风电机组的防雷和防雷标准[J].风能，2010，12（3）：822-823.endprint