高栏岛风电场机组、线路防雷接地系统

汪希俐 于洋

摘要：风电场架空集电线路和风力发电机组防雷是风电场最关键的问题，随着风电场的运行年限的增加，因机组和线路雷击故障率逐年增加。针对该问题，本文对该风电场线路和机组运行数据统计分析、制定具体解决方案。

关键字：机组;线路;防雷接地;杆塔接地;改造方案

1、地形条件和气候条件

高栏风电场机组安装在低山海岛上，最高海拔达418.0m，四面环海;落雷几率多。高栏岛的灾害性天气主要是台风、暴雨和雷暴等。根据气象部门资料珠海市年平均雷暴日数为62天属多雷区，由于机组为岛上高耸机组极易遭到雷电危害。

2、击危害情况

风电场设备经常遭雷击，主要有集电线路雷击跳闸、箱式变电站高压熔断器熔断、电缆、避雷器击穿、叶尖开裂、叶尖液压油缸熔焊，机组PLC、电量采集模块、温度变送器经常损坏等。

3、技术要求

按照《交流电气装置的接地设计规范》GB50065-2011 和《交流电气装置的接地》（DLT 621-1997）要求，所有要求接地的部分均应接地或接零。接地要求如下：

3.1工程质量要求符合国家现行验收规范合格标准，机组接地电阻不大于4 欧姆，杆塔接地电阻要求不大于10 欧姆。

3.2寿命：接地网寿命要求达到25 年以上。

3.3采用的垂直接地极采用高电防腐稳定剂材料降低腐蚀性。

3.4可采用的施工材料有：接地热镀锌扁钢、热镀锌钢管、热镀锌圆钢。

4、接地网情况

4.1机组和集电线-II回路接地电阻测试

通过对机组、杆塔接地电阻测试，机组接地电阻合格全部（≤4欧姆），杆塔接地电阻部分不合格（具体参照设计值是≯ 10 欧姆）。

根据该地区的勘察报告，可知该地区土壤电阻率较高。地层为燕山期黑云母花岗岩和第四系覆盖层。从防雷安全考虑，通过分析本地区地质条件分布不均匀，水平接地极和离子接地极不能满足雷电冲击，同时散流效果差。针对本地区的地质条件应利用垂直接地垂直接地极和离子接地单元以及水平接地相结合来降低接地电阻，以达到工频接地电阻符合要求及满足防雷电冲击效果。

4.2接地网

通过对此风场的接地施工情况的了解，发现此接地网不能满足现场实际需求接地网存在一些缺陷会影响到设备接地的安全运行。

4.3接地网分析

1）架空线的接地电阻不合格，当线路落雷后会造成机组或杆塔的雷击风险。并且地网使用局限在地表区域而本区域岩土导电性能又较差，雷电流不可能在瞬时间完全泄放。应增加水平地网的面积或垂直接地体的深度已提高雷电流冲出局限区域向大地的瞬间释放量，既能降低工频接地电阻，又能有效地达到防雷散流作用。

2）接地网的设计的集中散流接地装置不能满足实际需求，冲击防雷散溜效果差，设备雷击风险大。该机组及杆塔的防雷散流作用实际效果不理想，需要安装垂直接地极和水平接地体，以达到良好的防雷散流作用，延长接地网使用寿命。

3）本风场防雷接地工程另一个主要的要求是保证机组和杆塔在遭受雷击时有良好的防雷散流作用。雷电流属于高频电流，雷电流在接地网泄放时，由于接地体电感的影响，接地网的各部分是不等电位的。雷电流容易引起接地装置的暂态过电压，由暂态过电压引起的地电位反击容易对机组弱电系统形成电磁干扰、损坏电气设备绝缘及避雷器而导致生产事故。

5、雷电防护的技术措施

5.1雷电波侵入的防护

当架空线路遭雷击后，雷电波应通过线路避雷器泄放入大地。当接地网接地电阻过大，雷电流就沿线路、电缆侵入机组。

进入机组的线缆外皮、金属管线均需与接地装置连接。架空线与电缆连接处需增设避雷器或恢复箱式变电站避雷器;机组基础100m以内的金属管线（包括光缆钢芯）每隔25m与接地装置连接。

为防止线缆上的雷电波侵入可在电源线路及信号线路安装避雷器，电源线路采取分级保护，逐级泄流原则，可在电源总进线处安装一级避雷器、分路配电柜安装二级避雷器、重要设备前端安装三级避雷器。

5.2直击雷的防护

机组结构的防雷通道为：接闪器（机舱外部的避雷针、叶片上的接闪点）-轮毂-主轴-塔筒-基础-接地。当雷电直接击中接闪器，可通过上述的通道泄放入大地。

由于高栏岛特殊的地理自然条件，属于多雷区，雷电活动频繁，应对机组从上到下的防雷通道进行检查确保各环节连接可靠保证通道畅通。可加強避雷针引下线线径、由于塔筒法兰之间涂有密封胶，加大了连接电阻应增加接地跨接线。增加主轴接地、增加塔上塔下接地电缆（两条25平方毫米多股软铜线）。

5.3感应雷和雷电反击的防护

感应雷和雷电反击均是由于建筑物内各个物体因雷电导致的电位差引起的放电现象。

对于机组来说塔筒、避雷针、引下线、线缆、柜体等所有金属物体都是雷电侵入途径，对此可将所有金属物体与接地连接起来，形成闭合良好接地的法拉第笼，使各金属体之间电位相等不存在电位差，从而消除感应过电压的产生。

6、改造具体方案

6.1机组接地改造

对每台机组设计3根50米水平接地体，接地体材料的采用-60×6热镀锌扁钢，水平接地网敷设深度不应小于0.8m。岩石及高电阻率地区敷设深度不应小于0.5m。

对每台机组3根水平接地体与垂直接地连接，接地垂直材料采用Φ50热镀锌钢管和安地深高电防腐稳定剂配合使用，采用机械钻井的方式进行施工，每口接地垂直的深度为 30 米，接地垂直钻孔的直径大概为90-130mm，并在深孔接地体周围灌注防腐材料，采用防腐材料与水结合，搅拌均匀灌注。

6.2杆塔接地改造

对每基杆塔设计3根30米水平接地体，接地体的材料采用Φ14热镀锌圆钢，并在接地体周围与防腐材料掺混使用。

每基杆塔水平接地体上安装 2 套安地深离子接地单元，每基共 6 套，并在接地体周围灌注防腐材料，采用防腐材料与水结合，搅拌均匀灌注。

7、经济效益分析

通过对机组和杆塔接地网的改造，可以有效防止设备遭受雷击，减少线路跳闸频次，降低机组叶片的雷击损坏概率，同时减少机组停运时间，并提高风电场的发电量，能够达到预期的经济效益。

参考文献：

[1] 胡宗强.  防雷接地地网接地电阻的实时监测技术探讨[J]. 机电工程技术. 2015（07）

[2] 傅辅成，傅振宇.  一种新型简便的防雷接地体[J]. 中国电力. 1993（07）