浅谈风电场接地网存在的问题及降低接地电阻的措施

王浩，赵明浩，王维

（中国三峡新能源有限公司，北京100053）

1 引言

风能是一种储量极为丰富，取之不尽，用之不竭的清洁可再生绿色能源。近年来，世界各国对节能环保、资源短缺等问题的关注，导致越来越多的国家致力于风力发电的开发和研究。随着风电行业的快速发展，风电场数量的不断增多和装机容量的不断扩大，风电机组和电气设备的安全、稳定运行越来越受到人们的广泛关注。根据风资源的分布特点，风电场一般所处地理环境恶劣、地质条件差的地区，且风机作为高耸突出物，雷闪很容易在风机处形成，造成设备的损坏。所以做好风电场接地网，防止雷电危害对于风电场尤为重要。

2 风电场接地网的重要性

近年来，随着风电场建设数量的不断增多，风电场接地发生问题造成的安全事故屡见不鲜。以一个5万千瓦风电场为例，如接地网出现问题，发生雷击事件造成风电场变电站电压互感器损坏，会直接损失20多万元，而由于设备的损坏使风电场发电机组全部停止运行，每天电量损失约为40万至80万度，间接损失多达几百万元。由此可以看出，完好的接地网不仅可以保障风电机组、电气设备的完好和人身安全，而且还能减少因接地问题带来的经济损失。没有良好的接地网，机组和变电站各部分加装的防雷装置就不能发挥其应有的保护作用，因此，接地网的性能将直接决定着机组和电气设备的运行可靠性。

3 风电场接地网电阻偏高原因

3.1 自然条件

一是地质因素。设计风电场接地网时，必须提前了解风电场位置地质情况，例如在盐碱地或者山区，地质结构复杂，各层土壤的电阻率差异较大，对接地电网的设计施工都会造成困难。二是环境因素。在雨雪季节，大量水分的渗入，导致地表层土壤的电阻率比干燥时降低很多倍；温度的降低对土壤的冰冻作用则会导致土壤地表层的电阻率明显升高。

3.2 勘察设计

风电场处于地质构造及环境条件复杂地区，土壤电阻率变化较大，如仅仅套用现有的接地网设计图纸或设计方案，很可能从设计环节就留下了缺陷，从而造成地网接地电阻偏高等问题。因此，接地网的设计需要考虑每个可能的机位点位的地质和环境条件，认真地勘察测量计算，具体问题具体分析，才能做出切实可行的接地网络设计。

3.3 施工工艺及质量

在系统地设计接地网的基础上，对于不同地区不同环境风电场的接地工程，在施工过程中严格把控施工工艺及质量同样重要。地形及地质条件复杂，特别是位于山区的风电场，施工环境及条件往往也较为恶劣，需采用多种施工工艺。同时，接地工程属于隐蔽工程的一种，施工过程中如不能全过程的进行质量控制，很可能出现如下一些问题：一是不按图纸施工。二是不按规范施工。三是不合理使用降阻剂。降阻剂一般呈酸性，在土壤水分含量较大的地区或者雨雪季节，易随水分解或被冲刷而流失，造成土壤酸性增加，加速接地体的腐蚀，缩短接地装置使用寿命。

3.4 运行维护

在风电场建设完成通过验收时，接地网必须是符合规定的，但在运行期间，仍需要注意一些问题。一是随着运行时间的延长及环境的变化，接地体发生老化或腐蚀，造成接地体与周围土壤的接触电阻变大，特别是在酸碱性偏大的土壤中，会加快接地体的腐蚀速度，甚至造成接地体脱离接地装置；二是防腐措施不到位，在风电场运行初期问题不显，但随着运行期的延长，锈蚀就会使接地体或连接处的电阻变大或乃至形成开路；三是地质运动或者人为破坏造成接地网损坏。鉴于接地装置的隐蔽性，一般业主单位或者运行单位都会定期对风电场的接地网进行检查和测量，及时发现问题，及时处理，避免造成重大事故或损失。

4 风电场变电站接地网系统

4.1 施工要求

风电场变电站接地网一般采取水平接地带与垂直接地极相结合的设计施工方式。水平接地带选用热镀锌的圆钢或扁钢，垂直接地极可采用热镀锌钢管、角钢或铜包钢。接地网应装设必需的等电位接地，主接地网的接地电阻建议R≤0.5Ω以下；人工接地网的外缘应闭合，外缘的各角应做成圆弧形。接地网埋深和接地极顶端一般距地面0.8～1m。在有冻土的地区，接地网应敷设在冻土层以下；在经常有人出入的走道接地网表面应考虑采用高电阻率的结构层，例如沥青路面等；接地装置应敷设成环形，避免在雨后积水时，流过中性点的不平衡电流产生的跨步电压对人和动物造成电击事故。

4.2 避雷针接地体的施工要求

避雷针应设独立的接地体，它与主接地网地中距离T≥5m；为避免反击，屋内35kV以下设备的接地点应该与避雷针引下线入地点沿地中距离不小于15m，并且避雷针与引下线之间的连接采用焊接，其接地电阻R≤10Ω。主接地网和避雷针接地网都应具有均压作用，以减少接触电势和跨步电压，同时具备散流作用。在防雷接地装置中，可采用垂直接地体作为避雷针、避雷线和避雷器加强集中接地和散泄电流的作用。

5 风机接地网系统

早期的风力发电机组塔筒高度一般为60 m～80 m，叶片长度30m～40m。近年来，随着风资源开发利用的提高，80m以上甚至高于100m的风力发电机组塔筒，及长度50m以上的叶片也频繁应用在风电项目中。鉴于风力发电机组及叶片的特性，机组接地网的，在风电场设计中对风机接地的接地电阻值有明确的规定，一般风机接地网接地电阻≤4Ω[1]。

5.1 风机接地存在的问题

①设计院依据勘测部门提供的场址电阻率数据进行设计，施工单位根据设计院施工图纸完成施工，若不合格，则一般采取向外延伸地网的方式进行补充设计施工。②滥用降阻剂、非金属模块、离子地极、铜包钢等辅助降阻产品或材料，不但不能从根本上降低接地电阻的作用而且还造成环境的污染。③按照传统设计，垂直接地体的长度在3米以内，距离地面深度在4米左右。这对于各地质层电阻率差异大的地区，显然不能充分利用土壤天然导电性和深层土壤的散流能力。

5.2 风机接地网采取的改进措施

①当风机的接地网和变电站的接地网距离较近时，为了保证风机地网和变电站地网接地电阻合格，则各自的地网面积将会很大，在这种情况下，按技术规范相关要求，可将邻近的几组地网进行等电位连接而形成区域地网，该区域地网应保证在区域内每台风机或变电站处注入测量电流时接地电阻都满足要求。②采用引外接地，连接远距离的接地网及邻近的接地设备。应当注意在变电站和远处接地装置之间存在显著的电位差。[2]③合理利用土壤电阻率分布的特点，采用适当长度垂直接地极。垂直接地极能充分应用深层土壤的散流效能，从而达到降低接地电阻的目的。④考虑降低风机及箱变接地装置的冲击电阻、减小雷击时所产生的电磁干扰，单纯扩大接地网的面积很难取得良好效果，相对来说，在风机附近增加接地网的导体根数则更为有效，或者在风机附近增设几根垂直接地极也将明显改善接地系统的防雷性能。

6 结语

风电场接地网能否发挥作用，要在设计、施工和运行维护这三个环节加以关注。设计要根据现场实际情况，对现场的地形地貌、土质岩层，进行详细勘察，提出可行的设计方案；施工要严控过程中的工艺和质量；运行维护要定期、及时、到位，合理恰当的运行维护能够保证接地网的长期有效，延长风电场使用寿命。综上，在风电场建设过程中，尤其是环境恶劣、地形复杂地区的风电场设计与建设中，必须因地制宜，充分注重接地网的设计、施工和运行维护，才能保证风力机组和电气设备安全、稳定运行。