山区风电场风机接地设计探讨

詹帆

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

国际的能源随着经济的快速发展而不断消耗，环境也遭到了严重的破坏，自然灾害的增多严重威胁到人们的生命财产安全，低碳经济以及环保已成为更多行业需要坚守的原则，也是行业可持续发展的前提，风力发电行业也不例外。风能作为新能源，具有清洁、可再生、利用方便等多种优点，是各国利用的重点能源，我国的风力发电事业也得到发展，在新的阶段得到进一步发展。我国风能发电的范围广泛：南方的风电场主要设置在丘陵和山区，在新疆、内蒙古、河北和东北地区的高原和戈壁地区，由于风力资源丰富成为北方风电场设置地，将来的风电场的发展方向是海上或者沿海风电场。风电场所在位置的特点是：场地广阔、风力资源丰富，所以主要会受到雷电的侵袭，在进行设计时，要重点考虑风力发电机本身的防雷系数，才能更好地进行山区风力发电机组的接地设计工作。

1 山区风机接地设计的特点

风机接地设计具有其自身的设计特点。通过掌握山区风电场风机接地设计的特点，才能更好地进行研究工作，为遇到的问题提出针对性的解决方案。

1.1 风机所在环境为高雷暴环境

在山区设置风电场的风机时，会提前勘测位置，寻找风力资源丰富且较为广阔的地区，使风机吊装平台面积的最大程度达到最大。而山区的海拔较高，在多雷区和强雷区的中南部山区，风电在高雷暴的大环境下遭受雷击的机率较高。风电机组本身与避雷针所起的引雷效应，也直接增加了风电场受到雷击的危害。进行山区风电场风机接地设计时，要重点关注雷暴环境的危害，通过设计避雷装置，减少雷暴天气对风电场风机的损耗，降低造价成本与维修费用。

1.2 土壤电阻率较高，土壤电阻率不均匀

山包或者山脊是山区风电场风机布置的主要地点。山包或者山脊的土壤电阻率高的主要原因是，其表层的土壤主要由薄层的强化风化岩石所构成，而下层的主要由中风化甚至是弱风化岩石构成，这些岩石的整体的电阻率，都比一般的岩石组成要高。并且山区的地形差别较大，对于不同的山区，甚至同一山区的不同地理位置的岩石结构都不同，地质结构千差万别，土壤的电阻率高低不同，土壤电阻率在不同的方位会有较大差距。

1.3 风力发电机组吊装平台的面积有限，接地网的实施面积受限

在2500m2的吊装平台内设置2MW风机，虽然接地设计在平整的吊装平台进行会比较简易，但是接地电阻的数值难以在有限的风力发电机组吊装平台面积内达到国家规范的要求，接地网的实施面积也因此受到限制，不利于工作的顺利开展。

1.4 交通不便

山区的位置较为偏远，交通不便，进场道路和内部道路都较为弯曲和漫长崎岖，在运输施工材料时会面临许多因交通不便带来的问题。运输的距离较长，也直接增加了施工的成本，是山区风电场风机接地设计的主要成本来源。常规的接地问题的解决，也会因为山区的交通不便而不能及时解决，甚至可能带来更加严重的问题，不利于山区风电场风机接地设计工作的主要障碍。

2 接地系统设计

山区风电场风电机组中容易出现接地电阻不能满足要求的情况，只有及时进行整改，才能达到规范完成接地设计的工作。其中最主要有加降阻剂、换土方式和联手方式这3种解决方案。

2.1 采用加降阻剂的方法

降阻剂的作用途经是在进行山区风电场风机接地装置施工时加降阻剂，降阻剂被加入基坑内，高效凝胶接地降阻剂中的离子导电颗粒包围着接地的周围，在基岩和风化岩的基础土壤中发生树根效应，达到保水、保湿和降低冲击接地电阻的作用，基地极和土壤的接触电阻率随着接地体的散流面积的增肌而减少。加降阻剂适用于土壤含水率由于常年不下雨二极低的地区，降阻效果在该种地区具有非常明显的效果。

2.2 换土方式

一般山区的土壤是风化岩石，土壤层也比较薄弱，在风电场风机附近一定范围内有粘土的地方适用换土方式，也就是用粘土或者黑土替换风化岩石或者沙土。通过将电阻率高的土壤替换为电阻率低的土壤是最原始和常用的方式，降低电阻的效果也较为明显，这种方式适合周围有粘土或者黑土的地区，如果需要通过交通工具运输土壤来完成换土则增加了设置成本，将不予采纳。

2.3 联手方式

除了加降阻剂和换土，联手方式也是一种降低电阻的方式，这种方式较前两种方式而言开挖的工程量大，接地导体多也直接增加了施工的成本，一般来说较少采用。联手方式主要是通过开挖，通过几点来将附近几个不满足电阻条件的风机的接地网进行连接，将几个小的接地网连成一个大的接地网，等电体是由不满足电阻要求的风机组成，位置较好的接地点是降低接地电阻的主要方式。使用该种方式可以同步敷设电缆来降低工程量大的成本，在集电线路是直埋电缆的前提下。

2.4 深井接地技术降阻

土壤的电阻率受到地形变化以及各种因素的影响，不同的方位的数据都不同，横向和纵向分布都会有差距，分布难以均匀。深井接地技术是一种垂直接地体，是指通过深井钻孔，将垂直接地极放入钻孔中，再使用天然防腐导电黏土和水组成的泥浆等低电阻率的回填材料填充缝隙，达到降低电阻率的效果。深井接地技术不受气候和季节条件等的限制，夏季干旱和冬季寒冷都不会对低电阻区域产生影响，是增加电极通流、降低电阻率的重要途径。

3 接地装置的防腐设计

接地装置长期深埋地下，装置的土壤介质和电化随着时间的增加容易发生化学反应，直接会导致接地体受到腐蚀，接地体受到腐蚀会导致电气设备遭受雷击。每年接地装置受到腐蚀的数量不计其数，接地网受到严重的损害，无形之中增加了电力系统工作人员的危险系数。接地装置的防腐设计是保障电力系统正常运行和作业人员人身安全的重要途径，是山区风电场风电机接地设计中应当解决的重点问题。防腐手段根据土壤腐蚀的特点不同而主要有两种。

（1）在施工时用粘土作为天然防腐的原材料包裹着接地极，使接地极与周围的土壤进行隔绝，直接组织了这周围的土壤发生化学反应腐蚀接地网。

（2）防止接地网受到化学腐蚀的主要方式是使用电解质防腐接地包。电解质防腐接地包是补充导电离子的工具，具体的特性是包内的主要材料的吸水性和吸附力都极高，促进离子交换，使电极周围的土壤的电阻率直接得到改善，接触电阻减少、电极单元增大与土壤的接触面积直接防止接地体受到化学的腐蚀。

4 工频接地电阻和冲击接地电阻的区别

上文所说的接地电阻是自低频、低电流密度的情况下测得的，是工频接地电阻，该电阻的数值是用稳态公式计算得出，因而数值较为稳定，数值一般小于10Ω；冲击接地电阻是在雷电流强烈冲击下所产生，稳定的接地电阻受到影响，发生较大的变化，在雷电流几万甚至几十万安的冲击波下，土壤的电阻系数随着接地装置电流密度的增加而减少，冲击接地电阻小于工频接地电阻。

5 结语

综上所述，山区风电场接地设计需要考虑到很多问题，不是简单的设计问题。设计单位需要检测现场的土壤的电阻率，在此基础上设计合理的设计方案，施工单位按照设计方案进行施工，根据具体的施工情况与设计单位密切配合。控测量是设计要求的一个重要方向，需要严格进行把控，并进行验收，规范测量，满足设计的要求。在计算土壤的电阻率时，要考虑到季节的变化和地形地貌的影响，进行综合分析。