基于IEC标准的风电场接地电阻的计算

摘 要：风电场防雷是风电场运行维护中的重要部分，接地技术是为了防止电力或电子等装置遭受雷击而引入的保护性措施。本文研究了IEC风机接地规范中的接地电阻公式，并进行理论计算，IEC公式的计算结果具有一定指导意义，同时与国标进行比较，结论为增加外延射线对降低工频接地电阻是行之有效的，但对冲击电流则效果有限，实际设计过程中应根据风机环境选择合适的算法进行计算。

关键词：风电场接地计算；IEC标准；山地风电场

中图分类号：TM 614" " " " " 文献标志码：A

风电场防雷是风电场运行维护中的重要部分，其重要性在于确保风力发电机组和相关设备在雷电活动中能够有效排除雷电放电的影响，从而保障设备的安全性、可靠性和寿命。

设计和运营风电场时，防雷接地都是综合工程规划的重要部分，需要选择合适的接地材料、布置接地极并考虑土壤电阻率等因素。维护人员还应定期检查、测试防雷接地系统，确保其始终处于良好的工作状态。

由于雷电导致的风电场雷击事件呈逐年增长趋势，雷击造成的叶片、机组电控设备损伤严重，因此雷击已经成为影响风电机组安全运行、风电场安全生产的危险因素之一。接地技术是为了防止电力或电子等装置遭受雷击而引入的保护性措施[1]。

在风电场接地设计中，需要在技术和经济合理的情况下最大程度地满足安全运行。针对内陆风电场多布置于山区的特点，需要充分了解场地的地质和土壤电阻率情况，以选择合适的接地措施以满足安全运行的要求。

1 接地系统的雷电冲击特性

在冲击电流作用下，接地装置的阻抗为暂态阻抗，随时间而发生变化。一般将冲击电压的最大值与冲击电流的最大值之比定义为冲击接地电阻。

土壤电阻率对冲击电流作用下接地网的暂态性能有较大影响。随着土壤电阻率增加，冲击接地电阻也相应增加。但当土壤电阻率较高时，根据E=ρJ，在相同的电流密度J下，接地网周围的场强E随电阻率ρ增加而增加，土壤的击穿厚度相应增加，土壤击穿引起的火花效应也明显增加强，相应地冲击电阻受电阻率的影响减弱，因此此时冲击电阻随土壤电阻率增加而增加的速度下降，并有饱和的趋势。冲击电流或雷电流通过接地体流向大地时，接地体呈现的电阻称为冲击接地电阻。

2 接地电阻的计算

山地风电场接地电阻的计算涉及多个因素，包括土壤电阻率、接地极的数量和布置和接地极材料等。接地电阻是为了确保系统的安全运行并保护设备免受雷击等电力系统异常情况的影响。

一般国内项目采用国标《交流电气装置的接地设计规范（GBT 50065—2011）》，国际项目更多采用IEC标准Wind energy generation systems-Part 24：Lightning protection（IEC 61400-24：2019）进行计算。

风电场的接地电阻计算通常涉及土壤特性、接地极的布置/形状以及电极的长度等因素。基于IEC标准的一般步骤包括以下7步。1）收集土壤参数。根据IEC标准，需要收集有关土壤的参数，如电阻率。这些参数将影响接地电阻的计算。2）确定接地系统的类型。确定风电场接地系统的类型，例如网状接地系统或者地网系统。这会影响计算的方式。3）计算水平地网的电阻。对于水平地网，可以使用一般的接地电阻公式进行计算。IEC标准提供了具体的计算方法和公式。4）计算垂直地网的电阻。如果系统包括垂直地网，需要计算垂直地网的电阻。通常需要考虑垂直电极的长度、形状和数量。5）考虑接地极的分布。考虑接地电极的分布，确保它们在整个风电场中均匀分布，以取得更好的接地效果。6）考虑接地系统的深度。根据IEC标准计算接地系统的有效深度，需要考虑土壤的分层结构。7）验证和优化。验证计算结果是否符合IEC标准的要求，并根据需要进行优化。

IEC公式的特点是计算每项接地措施后引入一个相互接地电阻，然后在其影响下计算最终的综合接地电阻。

IEC标准的接地要求采用网状结构的接地网，可降低风机的雷击风险，提高风机的安全性，防止局部接地电阻过高，并提高接地网的均匀性。而这些区别也带来了一定的成本差异。IEC标准的接地要求更严格，需要使用质量更高的接地材料，因此成本会更高。网状结构的接地网需要更多的接地线，因此成本也会更高。

在实际应用中，可以根据风机的具体情况选择合适的接地标准。对于高风险地区的风机，可以采用IEC标准的接地要求，以确保风机的安全性。对于成本敏感的风机，可以采用国标的接地要求，以降低成本。

3 接地网的工频电阻特性

大多数接地系统设计的标准做法是使用某种形式的计算机软件进行生产，因为这些软件能够准确分析该类系统中通常使用的多个元件间的相互作用。其中一些系统能够分析接地系统对瞬态电流的响应，例如雷电产生的电流。此类工具通常会给出最准确的结果。在此类工具不可用的情况下，可以使用如下简单接地电极配置和组合公式[2]。

3.1 不同接地方式接地电阻的计算

dlt;lt;L时的水平接地体接地电阻如公式（1）所示。

（1）

式中：R为水平接地体接地电阻；ρ为土壤电阻率；L为接地极的长度；a为接地极的等效半径；d为接地电埋藏深度。

当某个公共点有n条对称辐射的水平接地体时，如公式（2）所示。

（2）

式中：n为对称辐射的水平接地体数量。

在上式中，假设任意2个相邻电极间的角度相同，因此在n=2的情况下，电极从公共点向相反方向延伸，所有导体都承载相同的电流。

Lgt;gt;a时的垂直接地极时接地电阻如公式（3）所示。

（3）

设2个等长的垂直接地极相隔距离为a12，当a12lt;lt;L时，可用公式（4）。

（4）

当a12gt;gt;L时，可用公式（5）。

（5）

设置n根长度相等的棒以等空间排列在直径为D的圆上，当Dlt;lt;L时，如公式（6）所示。需注意，其中n根接地棒通过电缆连接。

（6）

式中：D为环形接地极的直径；n为接地棒的数量。

当在直径为D的圆上以相等的空间排列n根接地棒且地棒间的间距等于或大于杆的长度时，可用公式（7）。

（7）

环形接地极如公式（8）所示。

（8）

3.2 环形接地网辅以垂直接地极的计算

在环形接地网辅以垂直接地极的情况下，环形接地网接地电阻R1利用公式（8）计算。当n根等长的垂直接地极布置在直径为D的圆上且接地极间的间距等于或大于杆的长度时，垂直接地极电阻R2利用公式（7）计算。

环形接地网和垂直接地极间的相互接地电阻R3如公式（9）所示。

（9）

式中：e为自然常数。

最终接地体综合电阻R如公式（10）所示。

（10）

式中：R1为环形接地网接地电阻；R2为垂直接地极电阻；R3为连接点接地电阻；R为环形接地网辅以垂直接地极时总的接地电阻。

3.3 环形接地网辅以外延射线的计算

在环形接地网辅以垂直接地极的情况下，环形接地网接地电阻R1利用公式（8）计算。辅助设置n根外延射线，外延射线的接地电阻R2利用公式（2）计算。环形接地网与布置在直径为D的圆上的外延射线间的相互接地电阻R3利用公式（9）计算。最终接地体综合电阻R参考公式（10）。

4 接地电阻的理论计算

接地电阻的理论计算包括3个已知条件。1）接地电阻允许值R≤4Ω。2）土壤电阻率取ρ=2000Ω·m。3）水平接地极采用（-60×6）mm的热镀锌扁钢，垂直接地极采用（50×50×5）mm、2.5m的长角钢。还需要外延4根50m射线并布置4口20m接地深井。

计算过程主要采用IEC规范中明确的公式进行。内环环形接地网利用公式（8）进行计算，其中环形接地网直径D=20m，接地极埋设深度d=3m。计算可得接地网水平接地电阻为53.1Ω。垂直接地极利用公式（7）进行计算，计算可得接地电阻为157.4Ω。两者连接电阻根据公式（9）进行计算，可得35.7Ω。最终得出综合接地电阻为50.92Ω。

对外接地环连接导体电阻参考公式（2）进行计算，可得导体接地电阻为125.4Ω，连接电阻为32.23Ω，最终接地电阻为47.8Ω。

外环环形接地网参考内环计算方法，综合接地电阻为18.35Ω。垂直接地极接地电阻为86Ω。主地网接地电阻为14.54Ω。

明显不满足接地要求。因此在风机基础外增加4条外延射线和接地深井。

其中外延射线接地电阻参考公式（2）、接地深井参考公式（7）。经计算，外延射线接地电阻为37.7Ω，接地深井接地电阻为6.12Ω。

结果见表2。

表2 IEC公式接地电阻计算结果

接地电阻计算结果（Ω）

水平接地体 18.35

垂直接地极 86

连接后 14.54

外延射线 37.7

连接后 11.9

接地深井 6.12

连接后 5.53

5 IEC标准与国标的计算比较

同样的设计方案在国内已被风场采用并通过验收，根据国标公式进行计算的结果见表3。

经过比较可以看出2种接地计算方法的主要区别在于外延射线的接地电阻计算和不同接地装置直接连接后整体接地电阻的处理。

对于国标，不同接地体间连接没有特别说明，再一般计算中需要考虑添加并联系数进行折算。此项两者区别不大。主要差距为外延射线接地电阻的计算结果，国标计算下外延射线接地电阻不到IEC标准的一半。同时考察不同外延射线数量下的计算结果，见表4。

表3 国标公式接地电阻计算结果

接地电阻计算结果（Ω）

水平接地体 19.4

垂直接地极 54.8

连接后 15.93

外延射线 17.08

连接后 9.16

接地深井 5.44

连接后 3.79

当延长外延射线时，接地电阻甚至出现负数情况。外延射线的增多和加长虽然可以改善接地电阻，但时IEC标准中的计算可能会出现急剧降低接地电阻的情况，甚至出现负数情况。经过多种数据计算分析，原因可能是IEC公式仅考虑1～2种接地措施，同时外延射线公式为一点连接的多根射线，更多用于杆塔接地。

经初步分析，IEC考虑外延射线与接地体间电容电流所产生的接地电阻。国标计算方法是根据电阻分流原理计算的，忽略了外延射线与接地体间电容电流的影响。IEC标准计算方法则考虑了电容电流的影响，因此计算结果更准确。

在实际应用中，由于风电场经常利用汇集线路接地，汇集线路的长度较长，故障电流较大，因此外延射线与接地体间电容电流的影响较为明显。可见基于IEC标准的计算方法更适用于风电场外延射线接地电阻的计算。

此外，IEC标准计算方法还考虑了外延射线的形状对接地电阻的影响。国标计算方法则假设外延射线为圆形，而实际情况中外延射线的形状可能为椭圆形或其他形状。IEC标准计算方法可以根据外延射线的实际形状进行计算，因此计算结果更准确。

国标的计算方法计算简单，易于掌握，但计算结果不够准确，尤其是在外延射线长度较长、故障电流较大的情况下。

IEC标准计算结果更准确，尤其是在外延射线长度较长、故障电流较大的情况下。但计算复杂，需要一定的专业知识。

在实际应用中，可以根据风机的具体情况选择合适的接地标准。对于高风险地区的风机，如风机安装在雷雨频繁的地区、风机附近有高压电线或其他危险设施，建议采用IEC的考虑电容电流的方法进行外延射线接地电阻的计算。因为在这些工程中，外延射线长度通常较长，故障电流也较大，电容电流的影响较明显。如果采用国标的方法进行计算，可能会导致接地电阻计算结果不准确，从而影响风电场安全运行。

对于成本敏感的风机，在确定周围环境风险性较低的情况下，可以根据实际情况选择采用国标的方法或IEC的方法进行计算。如果外延射线长度较短，故障电流较小，可以采用国标的方法进行计算。

6 结语

随着风电机组容量不断增大，接地短路电流越来越大，接地装置对设备和人身安全的影响也越来越大。

在实际应用中，需要进一步进行实地试验和验证，外延射线的设计和布置需要根据具体的工程环境和土壤条件来调整，综合考虑土壤特性、气象条件和法规要求是确保接地系统有效性的关键。

作为国际标准，IEC是国际风电项目设计中的基础与依据。本文通过分析其计算结果并与国标公式进行比较，发现其算法对外延射线的分析、建模方式与国标差异较大。考虑国内规范在要求高土壤电阻率的情况下限制了外延射线长度，在实际项目中，增加外延射线对降低工频接地电阻是行之有效的，但对冲击电流来说效果有限。

在工程领域中，理论计算和实际应用间的差距是常见的。有时，理论模型可能无法完全捕捉到所有复杂因素，从而造成实际应用中的缺陷。在理论计算中，增加外延射线以降低工频接地电阻是一个实际可行的方法，但对冲击电流的效果有限。

同时，IEC公式的计算结果具有一定的指导意义，表明理论模型在某些情况下仍然是有用的，但采用将远距离外延射线作为降低接地电阻的方案时需要谨慎。在工程中需要综合考虑各种因素，并根据具体情况做出慎重决策。

在具体设计过程中，对于高风险地区的风机，建议采用IEC的考虑电容电流的方法进行计算。对于成本敏感的风机，在确定周围环境风险性较低的情况下，可以采用国标的方法进行计算。

本文研究了IEC风机接地规范中的接地电阻公式，并进行理论计算，同时与国标进行了比较，发现其理论计算在实际应用中的缺陷。结合工程实际可知增加外延射线对降低工频接地电阻是行之有效的，但对冲击电流的效果有限。IEC公式的计算结果具有一定的指导意义，后续工程应谨慎将远距离外延射线作为降低接地电阻的方案。

参考文献

[1]郑明，刘刚，周冰，等.风电场防雷与接地[M].北京：中国水利水电出版社，2016.

[2]International Electrotechnical Commission.Wind energy generation

systems-Part 24：Lightning protection：IEC 61400-24：2019[S].Geneva：International Electrotechnical Commission，2019：164-166.