基于CDEGS的风电场接地系统设计及应用

， ， ，

(东北电力大学电气工程学院，吉林 132012)

0 引 言

风能是一种干净、储量极为丰富的可再生能源，与自然界矿物能源不同，它不会随着自身的转化与利用而减少。随着人们对环境保护、能源短缺及节能等问题的日益关注，利用风力发电改变能源结构并改善环境是能源开发领域中的重要策略之一[1-3]。近年来通过不断引进与自主开发，我国风力发电事业取得了飞速发展。

与常规发、变电站相比，风电场通常布置在山地，这些地区风能资源较为丰富而土壤电阻率偏高，因此风机所处位置接地电阻通常较大[4-5]。当风电系统发生雷击或短路故障时，较大的接地电阻将导致地电位异常升高，威胁人身及设备安全。地电位升高还可能使低压电器设备及保护装置受到反击过电压的影响，危害电气设备绝缘[6-8]。因此良好的接地系统是确保风电场安全可靠运行的重要设施。根据国标《交流电气装置的接地设计规范》及相关制造厂家的规定，风力发电机组工频接地电阻应小于4 Ω，冲击接地电阻应小于10 Ω，以满足风电系统安全运行要求[9-10]。

CDEGS是由加拿大SES公司开发的接地计算软件，它能够精确分析电力系统接地、电磁场、电磁干扰以及阴极保护等问题[11-12]。笔者基于CDEGS软件结合河北某风电场13台风电机组接地系统工程实例进行设计分析，提出的方法可作为设计风电场大型接地系统的参考。

1 风电机组布机处土壤电阻率测量

由于土壤电阻率受温度、湿度及当地降雨量影响较大，为使测量值接近真实值，通常选取土壤较为干燥的时期进行测量。目前应用最广泛的土壤电阻率测量方法是等距四极法，其测量原理如图1所示。

图1 等距四极法土壤电阻率测量Fig.1 Wenner method resistivity measurement

测量时，四个电极沿同一直线等间距排列，电极埋深h0，其中C1、C2为电流极，P1、P2为电压极。设流入电流极C1的电流为I，流出电流极C2的电流为-I，则土壤电阻率为

(1)

式中：ρ为测得土壤电阻率；a为电极间距；R为实测土壤电阻。对于不均匀土壤，ρ为综合考虑土壤不均匀性的视在电阻率，它随土壤结构与电极间距的变化而变化。当电极间距较小时，绝大部分电流沿表层土壤流过，测得土壤视在电阻率接近土壤表层电阻率。随着电极间距增大，越来越多的电流沿深层土壤流过，测得土壤电阻率逐渐反映深层土壤情况。由于风机之间距离较远，所处不同位置地质情况不同，土壤电阻率具有较大差异，因此需要对每台风机所处地区进行测量。

2 建立土壤结构模型

因山区土壤多为双层结构，测得土壤视在电阻率后，通过CDEGS软件中的RESAP模块仿真计算得到各台风机所在地区土壤模型如表1所示。

表1 各台风机所在地区双层土壤模型Table 1 Two-layer soil model of each wind turbine

3 风电场接地系统设计

3.1 单机接地设计

由于风电机组之间距离较大，当土壤电阻率相对较低时，风机采用单独接地设计即可满足国标要求，因此对1号、2号、3号及13号风机进行单独接地设计。图2为风电场电气设备布置图。

图2 风电场电气设备布置Fig.2 Electrical Equipment Arrangement of Wind Farm

通常情况下，单台风机接地由环绕风机基础的圆环接地体组成，圆环接地体与风机基础通过扁钢连接。由于混凝土在潮湿后与周围土壤电阻率十分接近，因此风机基础中的钢筋对降低接地电阻也十分有效，但在实际风机接地设计中，通常不计风机基础接地的影响，而把基础接地体对降低接地电阻的作用作为安全裕度。单台风机接地设计如图3所示，其中风机基础中的圆环为塔筒，基础外以塔筒中心为圆心敷设内外水平环形接地带，内环接地带直径20 m，外环接地带直径30 m，由塔筒向外水平引出三根扁钢分别与两接地带可靠连接，并在扁钢与接地带相交处设置垂直接地极。地网埋深0.8 m，接地导体采用60×6 mm的镀锌扁钢。

图3 风机接地网设计简图Fig.3 Diagram of wind turbine grounding grid design

运用CDEGS软件中的MALZ模块创建如图3所示的风机接地网模型并计算，得到1号风机工频接地电阻为1.44 Ω，2号风机工频接地电阻为1.82 Ω，13号风机工频接地电阻为2.55 Ω。由于3号风机土壤电阻率略高，在环形接地带外引出一根20 m的扁钢与接地带可靠连接以降低接地电阻，计算得到工频接地电阻值为3.80 Ω，均小于4 Ω满足国标要求。对于单台风机接地设计可通过外引接地极或接地网，打垂直接地极等方法以扩大接地面积降低接地电阻。

3.2 风机互联接地设计

山区土壤电阻率高且地形复杂，单台风机接地电阻通常难以满足4 Ω要求。为保证人身及设备安全接地电阻应尽可能低，因此当单机设计无法满足要求时，可根据地形情况采用扁钢将若干台风机接地网相互连接以扩大地网面积，降低接地电阻。

通常情况下风机接地体之间互联建议采用两根连接导体，其优点在于：一是两根导体可彼此备用，避免一根断开造成接地系统分开；二是有效扩大地网面积。互联时应注意，两根连接导体之间距离应大于或等于8 m，以减小导体间的屏蔽效应。连接导体采用60×6 mm镀锌扁钢，在保证施工质量的前提下，可确保30年使用寿命。为降低工程造价，本次设计以单根导体连接为主。经计算4号风机单机接地电阻为2.78 Ω，由于5号风机与6号风机土壤电阻率较高且地形受限，单机设计难以满足要求，因此将三台风机接地网沿山脉走向用单根扁钢互联，计算互联后接地电阻降为3.74 Ω。同理，将7号至12号风机接地体互联，并在7号与8号风机之间沿山谷走向外引一根150 m扁钢，经计算互联后工频接地电阻为3.86 Ω，满足国标要求。

3.3 风机接地体互联的有效性

以5号风机为例并采用均匀土壤模型分析风机接地体互联的有效性。图4反映了5号风机互联前后接地电阻随土壤电阻率增加的变化规律，由图中可以看出随着土壤电阻率增加接地电阻逐渐增大，风机互联形成局部接地网后接地电阻显著降低。图5反映了风机间距离对互联有效性的影响，可以看出随着互联距离增大，接地电阻逐渐降低，继续增大时曲线趋于平缓。

图4 互联前后5号风机接地电阻变化规律Fig.4 The variation of the no.5 wind turbine ground resistance before and after interconnection

图5 接地电阻随互联距离改变的变化规律Fig.5 The variation of the ground resistance with the interconnection distance

4 雷击故障下的地网暂态响应

考虑风电机组通常位于平原或高海拔的山区，加之其构造特点，极易遭受雷击，因此有必要对雷电流下地网的冲击特性进行分析。冲击接地电阻为冲击电流或雷电流通过风机接地网流向大地时，接地体或土壤所呈现的综合接地电阻，其等于地网暂态电位升峰值与冲击电流幅值的比值[13-17]。国标规定风电机组的冲击接地电阻应小于10 Ω。为降低地网冲击接地电阻，在风电机组下方密集使用钢材加密均压带，加大接地装置与大地的接触面。取波形8/20 μs，幅值10 kA的雷电流为仿真研究波形，通过CDEGS中的HIFREQ模块与FFTSES模块对风机接地网进行冲击仿真，计算得到各风机接地网暂态电位升峰值及冲击接地电阻如表2所示。由于风机附近设有箱式变压器，当风机遭受雷击时，地网暂态电位急剧升高将在箱变高低压侧绕组间产生巨大电位差，为保护箱变免遭雷击破坏，建议在箱变高压侧安装通流容量较大的避雷器，低压侧安装电涌保护器进行雷电防护。

表2 风电机组暂态电位升与冲击接地电阻值Table 2 The transient potential rise and impulse grounding resistance of wind turbines

5 结论

基于CDEGS软件结合河北某风电场接地工程实例对风电机组接地网进行设计分析，并得出以下结论：

1)风电场接地系统设计时应满足两点要求：一是确保雷击风电机组时，机组及其附属设备的安全运行；二是保证发生短路故障时系统安全运行。由于风电机组安装位置的特殊性，设计时应根据机组布机处土壤结构结合当地地理环境合理确定接地方案。

2)单台风机接地可通过铺设圆环接地带，打垂直接地极，外引接地极或接地网等方法降低接地电阻，当单机设计无法满足要求时，将风机接地网互联形成局部接地网以扩大地网面积，降低工频接地电阻。在地网内部密集使用钢材，铺设均压带降低冲击接地电阻。

3)利用CDEGS软件计算雷击时，风力发电机组地网的暂态响应。当雷电流入侵时，地网暂态电位显著升高，为保护箱变免遭雷击破坏，建议在箱变高压侧安装通流容量较大的避雷器，低压侧安装电涌保护器进行雷电防护。