季節(jié)性凍土條件下的風(fēng)電機(jī)組接地工程改造

文 | 于建國，邢志剛，尹欣，莊嚴(yán)

季節(jié)性凍土條件下的風(fēng)電機(jī)組接地工程改造

文 | 于建國，邢志剛，尹欣，莊嚴(yán)

凍土和對(duì)土壤電阻率的影響

一、凍土的分類及在中國的分布情況

凍土是指土壤溫度低于0℃并出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，地表具多邊形土或石環(huán)等凍融蠕動(dòng)形態(tài)特征的土壤（圖1）。本土綱相當(dāng)于美國土壤系統(tǒng)分類的新成土綱（Entisol）、始成土綱（Inceptisol）、有機(jī)土綱（Histosol），聯(lián)合國土壤分類的始成土（Cambisols）、潛育土（Gleysols）、粗骨土（Regosols）、有機(jī)土，本土綱包括的土類有冰沼土（冰潛育土）和凍漠土。中國凍土可分為季節(jié)凍土和多年凍土（有資料分類為淺層凍土和深層凍土）。季節(jié)凍土占中國領(lǐng)土面積一半以上，其南界西從云南章鳳，向東經(jīng)昆明、貴陽，繞四川盆地北緣，到長沙、安慶、杭州一帶。季節(jié)凍結(jié)深度在黑龍江省南部、內(nèi)蒙古東北部、吉林省西北部可超過3米,往南隨緯度降低而減少。多年凍土分布在東北和大、小興安嶺，西部阿爾泰山、天山、祁連山及青藏高原等地， 總面積為全國領(lǐng)土面積的1/5。有人提出中國凍土分為多年凍土（2年以上）、 季節(jié)凍土（1月以上）、瞬時(shí)凍土（小于1月），其區(qū)劃前提分別為年均地面溫度、最低月均地面溫度、極端最低地面溫度等于或低于0℃。 瞬時(shí)凍土南界大致與北回歸線一致。

張家口沽源地區(qū)處于冀北高原末端，地面的凍結(jié)日期在10月中旬，凍土期在190天左右，地面凍土的解凍期一般在4月下旬至5月初。赤沽風(fēng)電場(chǎng)處于壩上高原末端，每年在10月初降初雪，10月中旬進(jìn)入氣象意義的冬季；多年平均降雪厚度在5cm-9cm，凍土平均深度0.8m，最深深度1.2m。

二、凍土與土壤電阻率的關(guān)系

相關(guān)資料表明多年凍土的ρ極高，可達(dá)沒有凍土?xí)r的幾十倍。凍土對(duì)接地電阻有非常明顯的影響,而造成這種影響的因素很多，包括從土壤的結(jié)構(gòu)、類型、當(dāng)?shù)氐臍鉁?、降水量及土壤中的有機(jī)質(zhì)含量等。而土壤的含水量及土壤的溫度是影響土壤電阻率的主要因素。表1以濕度15.2%的沙土為例說明了溫度與土壤電阻率的關(guān)系。

通過工程計(jì)算，同樣可以發(fā)現(xiàn)凍土環(huán)境的工程成本高于一般環(huán)境下的工程成本，并且可能是一般工程造價(jià)的幾倍。以凍土環(huán)境設(shè)計(jì)5Ω大型電流回流接地系統(tǒng)為例，通過接地計(jì)算公式：

其中：ρ：土壤電阻率（Ωm）；S：接地網(wǎng)面積（m2）；R：接地電阻（Ω）。

如土壤沙率15.2%左右的淺層凍土的土壤電阻率取3300Ωm時(shí)，使用常規(guī)金屬接地材料，敷設(shè)的地網(wǎng)面積則需要達(dá)到108900 m2。這如此大的地網(wǎng)面積無非需要大量經(jīng)濟(jì)成本，而且接地電阻的年平均變化率一般在15%左右，增加了地網(wǎng)的維護(hù)成本。

降低凍土對(duì)接地電阻影響的方法

低溫凍土對(duì)接地工程的影響不僅表現(xiàn)在土壤的電阻率突變問題，還在凍土的物理特性發(fā)生變化時(shí)，凍土的膨脹造成的機(jī)械力也會(huì)對(duì)接地系統(tǒng)造成病害，嚴(yán)重的破壞接地系統(tǒng)的電氣連續(xù)性，如焊接面斷裂問題。因此在接地設(shè)計(jì)的過程中不僅需要考慮土壤電阻率的變化，更要考慮不同層面的土壤對(duì)接地工程的影響，因此，在季節(jié)性凍土環(huán)境中需要采用合適的接地施工方案。

一、傳統(tǒng)接地工藝對(duì)凍土環(huán)境的工程解決方案

目前對(duì)于淺層凍土地區(qū)的接地方法主要有：

（1）深井法：增加接地裝置的埋設(shè)深度，減小因凍土土壤電阻率升高而影響接地電阻的因素。

（2）換土法：改變土壤的含水率，使土壤在一定溫度范圍內(nèi)不會(huì)形成凍土。

（3）預(yù)埋加熱裝置：防止凍土形成的機(jī)械力破壞接地系統(tǒng)。

（4）加鹽：改變土壤性質(zhì)或者采用銅材作為接地材料。

在正常土壤環(huán)境中，對(duì)接地電阻R有較大影響的兩個(gè)參數(shù)分別是：土壤電阻率ρ和介電常數(shù)ε，ρ直接反映土壤的電阻特性，對(duì)接地電阻R有直接影響，與R成正比，即土壤電阻率越高土壤電阻越大；而ε則反映土壤的電容特性，它與R成反比，三者的表征公式為：

其中： R：接地電阻；ρ：土壤電阻率；ε：介電常數(shù)。

而實(shí)際工程中的接地電阻的組成是由幾個(gè)部分組成：

（1）接閃裝置到接地體之間連接線上的電阻。

（2）接地裝置自身的內(nèi)阻。

（3）接地裝置與土壤之間的接觸電阻。

（4）雷電流通過接地體向土壤散流時(shí)土壤呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)電阻。

雷電流入地的整個(gè)過程中能起到關(guān)鍵作用的環(huán)節(jié)是如何降低接地體與土壤之間有電流通過時(shí)的動(dòng)態(tài)電阻。外部土壤環(huán)境對(duì)接地電流的散流有著重要的意義，因此通過增加接地裝置的等效散流面積也是一種有效的技術(shù)方案。

在對(duì)赤沽風(fēng)電場(chǎng)線路鐵塔接地改造前期進(jìn)行地質(zhì)勘查時(shí)發(fā)現(xiàn)，赤沽風(fēng)電場(chǎng)所處地區(qū)地質(zhì)以風(fēng)化巖和砂巖為主，地表1.5m深度以風(fēng)化巖和碎石為主。在制定接地改造的方案過程中考慮到原有地網(wǎng)采用擴(kuò)大接地面積的措施，但未考慮地區(qū)季節(jié)性凍土對(duì)接地材料帶來的凍害問題。因此，經(jīng)過多方論證最終的接地改造方案擬定采用深井法作為主要技改方案。

采用深井法的主要依據(jù)和考慮在于：

首先，赤沽地區(qū)的凍土層厚度在0.8m以上，如果按照原有接地方案繼續(xù)采用擴(kuò)大地網(wǎng)面積的技術(shù)路線，會(huì)涉及到重新征地、嚴(yán)重破壞地表植被的問題；同時(shí)，擴(kuò)大地網(wǎng)面積的方案中其水平接地體深度需要在凍土層以下，而對(duì)于山區(qū)的沙石條件0.8m以下也都是碎石，因此需要采用大量的回填土進(jìn)行換土作業(yè)，工程量巨大。

表1 溫度與土壤電阻率的關(guān)系

其次，考慮到在現(xiàn)有地網(wǎng)覆蓋面內(nèi)尋找適合的點(diǎn)位采用深井法，以增加垂直深度的工藝方案降低接地電阻，不僅壓縮了作業(yè)面，同時(shí)不涉及工程征地；在工藝細(xì)節(jié)上可以將垂直接地體的上端控制在凍土層以下，降低凍土對(duì)接地工程的凍害影響。

二、深井法分層土壤電阻率的計(jì)算

（一）雙層土壤中的半球接地體

如圖2所示：埋在雙層土壤結(jié)構(gòu)的地表的半徑為r的半球接地體及其鏡像，上層土壤的電阻率為ρ1，下層土壤的電阻率為ρ2，上層土壤厚度為h。如果上層土壤厚度h>2r時(shí)，鏡像電流可近似為一個(gè)集中在球心的點(diǎn)電流源，如果半球電極的電位用其中心點(diǎn)的電位表示，則利用疊加原理可得到半球接地體的電位為：

根據(jù)接地電阻的定義可得到雙層土壤中埋在地表面的半球接地體的接地電阻R為：

從式（4）我們可以看出，第一項(xiàng)是電阻率為ρ1的均勻土壤時(shí)接地裝置的接地電阻，即ρ1＝ρ2，K＝0時(shí)的電阻。第二項(xiàng)為下層土壤引入的接地電阻的附加量△R。

當(dāng)下層土壤電阻率ρ2比上層土壤電阻率ρ1低時(shí)，K<0，式（3）中的附加量為負(fù)，即下層土壤電阻率低于上層土壤電阻率時(shí)，半球接地體的接地電阻低于電阻率為上層土壤電阻率的均勻土壤中的半球接地體的接地電阻。

當(dāng)下層土壤電阻率ρ2高于上層土壤電阻率ρ1時(shí)，K>0，式（3）中的附加量為正，即引入高電阻率的下層土壤后，接地電阻將增加。K值越大，接地電阻越高。

分析表明，下層土壤的影響在K>0時(shí)比K<0時(shí)顯著，因此當(dāng)K值較大，即下層土壤的電阻率比上層土壤電阻率高很多倍時(shí)，用增大接地體尺寸的方法來降低接地電阻的效果是不顯著的。

（二） 雙層土壤中垂直接地體的接地電阻

當(dāng)垂直接地體不穿入下層土壤時(shí)，可以如圖3所示設(shè)置鏡像。任一對(duì)相距2ih的鏡像2KiI的電流密度δi為：

如果采用中點(diǎn)電位法，取重點(diǎn)O的電位代表整個(gè)接地體的電位，則該對(duì)鏡像與接地體間的互電阻Ri為：

接地體的接地電阻R為電阻率，等于上層土壤電阻率的均勻土壤中的接地電阻與由于雙層土壤引入的鏡像對(duì)產(chǎn)生的互電阻之和：

當(dāng)接地體較長，或上層土壤較薄，接地體穿入下層土壤時(shí)，上層和下層不同的土壤電阻率將導(dǎo)致接地體在上層土壤中的部分和下層土壤中的部分的電流密度不同。比較合理的假設(shè)是認(rèn)為接地體散流的電流密度與土壤電阻率成反比。接地體在上層中部分的電流密度δ1和下層中部分的電流密度δ2可以由如下兩式求得：

求得的接地體在兩層土壤中部分的電流密度分別為：

分別對(duì)接地體處于上層土壤中的部分和處于下層土壤中的部分如圖3那樣設(shè)置鏡像，可得到接地體穿入下層土壤中時(shí)的接地電阻R為：

對(duì)于兩層土壤中的垂直接地體，唐格Tagg建議采用下式計(jì)算其接地電阻：

式（13）沒有考慮垂直接地體是否穿入下層土壤的影響。因此，巴拉特耐Blattner對(duì)上式進(jìn)行了修正，提出了考慮垂直接地體長度影響的接地電阻計(jì)算公式，當(dāng)接地體長度L

當(dāng)接地體長度L>h，即接地體穿入下層時(shí)，接地體的接地電阻為：

此為穿透兩層土壤的長垂直接地體的接地電阻計(jì)算公式，式中：

L：長垂直接地體的長度；

h：上層土壤厚度；

d：長垂直接地體的等效半徑；

ρ1、ρ2：上、下層土壤的土壤電阻率；

n：土層數(shù)量；

K：任意點(diǎn)的反射系數(shù)，其取值可參照下述圖解法。

（三）計(jì)算兩層水平和垂直分層土壤中接地體接地電阻的圖解法

在高土壤電阻率地區(qū)，土壤一般可分為多層，但對(duì)接地裝置接地電阻影響較大的往往是上面兩層土壤，因此可以只考慮雙層土壤對(duì)接地電阻的影響。本文前部分分析了兩層土壤中垂直接地體接地電阻的計(jì)算公式，但計(jì)算公式比較復(fù)雜，一般需要采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算。為了便于工程設(shè)計(jì)人員的簡單分析計(jì)算，達(dá)瓦利比Dawalibi提出了一種比較簡單的計(jì)算方法。

對(duì)于埋在雙層水平分層土壤中的垂直接地體（圖4），如果垂直接地體較短，只穿入上層土壤時(shí)，接地電阻R計(jì)算公式為：

式（16）中R1為土壤電阻率等于上層土壤電阻率的均勻土壤中垂直接地體的接地電阻，它可以采用前面介紹的公式進(jìn)行計(jì)算，△R為考慮雙層土壤時(shí)引入的接地電阻變量：

下層土壤電阻率大于上層土壤電阻率時(shí)△R為增加量，下層土壤電阻率小于上層土壤電阻率時(shí)△R為減小量；F為雙層土壤對(duì)接地電阻的影響系數(shù)，它與土壤的反射系數(shù)K及上層土壤厚度h與垂直接地體長度L的比值h/L有關(guān)，可以從圖5中查出。

但垂直接地體穿入下層土壤中時(shí)，接地電阻R為：

式（18）中△Ra為雙層土壤引入的接地電阻變量。

結(jié)束語

在存在季節(jié)性凍土的地區(qū)進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)防雷接地施工，對(duì)于傳統(tǒng)的以擴(kuò)大地網(wǎng)面積的施工方案很難達(dá)到作業(yè)層在凍土層以下；而按照國家防雷接地相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)一般情況水平接地體的埋設(shè)深度都是0.8m以下，有部分標(biāo)準(zhǔn)明確了需要在凍土層以下，但是在施工過程中基本按照0.8m的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；而這種深度的接地隱蔽工程往往受到凍脹災(zāi)害的破壞，由于隱蔽工程在發(fā)生凍脹災(zāi)害后很難實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)與檢查，因此傳統(tǒng)的水平接地體如：扁鐵、角鋼雖然滿足國標(biāo)要求的2倍焊接面積，但受到凍脹災(zāi)害的影響，則會(huì)造成焊接面開焊、斷裂的問題。在機(jī)組接地改造過程中，通過對(duì)原有接地系統(tǒng)的檢查中發(fā)現(xiàn)部分機(jī)組的接地扁鋼與垂直接地體焊接面已經(jīng)出現(xiàn)開焊斷裂問題。因此，在采用深井發(fā)接地施工的過程中，需要注意焊接面的施工工藝和抗凍脹災(zāi)害的預(yù)防性工藝。

（作者單位：于建國，邢志剛：國華（沽源）風(fēng)電有限公司；尹欣：哈爾濱世紀(jì)祥云雷電科技股份有限公司；莊嚴(yán)：全國風(fēng)力機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)）