威寧雪山風電項目風機基礎接地設計

張淑霞, 曾 勇, 吳安坤, 劉 蕓

(貴州省氣象災害防御技術中心, 貴州 貴陽 550002)

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威寧雪山風電項目風機基礎接地設計

張淑霞, 曾 勇, 吳安坤, 劉 蕓

(貴州省氣象災害防御技術中心, 貴州 貴陽 550002)

結合威寧雪山風電項目,介紹了風機基礎接地系統(tǒng)的結構設計,根據(jù)標準DL 621—1997《交流電氣裝置的接地》,計算了風機接地電阻,采用深井接地技術和外延網來降低風機接地電阻,并進行了接地裝置的防腐設計,以減少風機因遭受雷擊而造成的經濟損失。

風機; 基礎接地設計; 接地電阻; 地表電位

0 引 言

雷電放電作為一種強大自然力的爆發(fā),會給地面諸多設施帶來災害。矗立在風電場中的風電機組結構屬于典型的高結構體,由于機組高聳突出的機身和槳葉頂端的引雷作用,從雷電放電選擇性的角度來看,機組遭受雷擊的概率較大[1]。一旦擊中,將造成嚴重的經濟損失。

1 項目概況

2015年5月12日23:00左右,貴州威寧大海子風電場8號風機一葉片遭受直擊雷擊,直擊雷電流進入風機內,將高壓電纜、控制信號線路光纖擊毀,地面高壓電纜、室內高壓避雷器炸毀,避雷器爆炸時沖擊氣浪將室壁沖裂,造成直接經濟損失50萬元。

槳葉防雷裝置主要由接閃器和引下導體組成。通常將接閃器做成圓盤形狀,將其鑲嵌在槳葉的葉尖部,盤面與葉面平齊,接閃器與設置在槳葉本體內部,并跨接槳葉全長的引下導體做電氣連接。當槳葉葉尖收到雷擊時,雷電流由接閃器導入引下導體,引下導體再將雷電流引入葉根部輪轂、低速軸和塔筒等,最終泄入大地。

接地是保障風電機組和風電場電氣安全與人身安全的必要措施。從防雷的角度看,無論是槳葉葉尖的接閃器還是電氣系統(tǒng)的電涌保護器,都需要通過接地把雷電流傳導入地。沒有良好的接地裝置,機組各部分加裝的防雷設施就不能發(fā)揮應有的保護作用。接地裝置的性能直接決定機組的防雷可靠性[1]。

2 設計特點

有些接地裝置其接地電阻值已經達到設計要求,但設備還是遭受到雷擊,這是因其散流能力不足造成的,雷電流不能通過接地裝置快速泄放出去,從而造成反擊[2]。

依據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》第五章第四節(jié):接地裝置標準條文的要求,以及GB 50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》,參考99D 501-1、99(03)D501-1《建筑物防雷設施安裝》設計圖集,結合項目的實際情況,在滿足接地電阻要求的前提下,提高接地裝置的散流能力,加強防腐效果,從而提高工作可靠性和延長使用壽命。

3 風電場接地系統(tǒng)結構設計

根據(jù)風機接地工作區(qū)土壤電阻率,設計采用的地網結構如圖1所示。

圖1 設計采用的風機地網結構

威寧雪山風電項目的每臺風機基本為周圍最高處,遭受直接雷擊的概率較大[2]。為了能使風機在雷擊瞬間,雷電流通過水平接地極、垂直接地極迅速泄放,并且使風機各個方向的水平接地極能夠在雷電流泄放的瞬間同時連通,達到相等的電位,在結構上采用如下設計:

(1) 為了減少基底的正向電壓,并將故障電流轉移到外部地面,設計沿混凝土基礎外側敷設一圈均壓環(huán),作為風力發(fā)電機組的外環(huán)形接地網。

(2) 因風電場所在區(qū)域冬季寒冷而漫長,為了保證接地電阻值穩(wěn)定,采用深井接地極,可以避開凍土層不受季節(jié)氣候的影響;接地井由于增加接地極的直徑(深井接地體加上回填低電阻率材料)而能明顯降低總體接地電阻,同時增加電極的通流。

(3) 箱式變壓器地網與風機地網連接,同時箱式變壓器的避雷器在雷閃過程中會向大地泄放雷電流,因此箱式變壓器地網與風機地網連接線不小于15 m。

(4) 風機及箱式變壓器接地系統(tǒng)通過引外線、垂直接地體及深井接地裝置,共同實現(xiàn)工頻接地電阻小于4 Ω的技術指標。

(5) 防腐方面采用以下兩種措施:① 回填時采用天然防腐導電粘土包裹接地極,隔絕土壤,阻止了土壤中的化學腐蝕;② 采用電解質防腐接地包,防止接地體受電化學腐蝕。

4 接地電阻的計算

接地電阻的計算依據(jù)是DL 621—1997《交流電氣裝置的接地》[3],水平接地體也按照該標準計算。

不同形狀水平接地極的接地電阻為

(1)

式中:ρ——土壤電阻率,Ω·m;L——水平接地極的總長度,m;h——水平接地極的埋設深度,m;d——水平接地極的直徑或等效直徑,m;A——水平接地極的形狀系數(shù)。

水平接地極的形狀系數(shù)如表1所示。

表1 水平接地極的形狀系數(shù)A

水平接地極形狀形狀系數(shù)A水平接地極形狀形狀系數(shù)A-0．601．00-0．182．1903．030．484．710．895．65

當L=60 m、d=0.06 m、h=1.0 m、A=-0.6時,60 m水平接地極的電阻Rh=0.034ρ。

按照DL 621—1997的計算方法,垂直接地極的接地電阻為

(2)

式中:ρ——土壤電阻率,Ω·m;L——垂直接地極的長度,m;d——接地極用圓鋼時圓鋼的直徑,m。

復合接地網的接地電阻RN按照式(3)～式(6)給出的計算方法:

式中:RN——任意形狀邊緣閉合接地網的接地電阻,Ω;

Rg——等效(即等面積、等水平接地極總長度)方形接地網的接地電阻,Ω;

S——接地網的總面積,m2;

d——水平接地極的直徑或等效直徑,m;

A——水平接地極的埋設深度,m;

Lo——接地網的外緣邊線總長度,m;

L——水平接地極的總長度,m。

擬建風場區(qū)域勘測的土壤電阻率在2 000～3 000 Ω·m之間,計算取其均值2 500 Ω·m,水平采用-60 mm×6 mm熱鍍鋅扁鋼,垂直采用深井接地技術,主材為φ50 mm熱鍍鋅鋼管,經計算Rh=14.70 Ω,Rv=3.75 Ω,RN=3.31 Ω,滿足R≤4 Ω的要求。

5 接地系統(tǒng)設計

5.1 深井接地技術降阻

深井接地技術能有效地降低高土壤電阻率地區(qū)接地系統(tǒng)的接地電阻。土壤的電阻率通常沿縱深和橫向分布都是不均勻的。一般接近地面的電阻率相對要高些,且不穩(wěn)定,隨季節(jié)氣候的變化而變化,土壤越深越穩(wěn)定。特別是在高土壤電阻率及不能用常規(guī)方法埋設接地裝置的地區(qū),采用長垂直接地極或深井接地與主地網相連是一種有效降低接地電阻的方法。在有地下含水層的地方,接地極可能深入穿透水層,降阻效果更好。深井接地不受氣候、季節(jié)條件的影響,由于增加接地極的直徑(深井接地體加上回填低電阻率材料),能明顯降低總體接地電阻。如果接地井與地下水層相連,則降低接地電阻的季節(jié)變化,同時增加電極的通流,不會使電極過熱或接地井中的回填材料變干。深井接地必須配合使用低電阻率材料,才能獲得較低的接地電阻?；靥畈牧线x用天然防腐導電黏土和水組成的泥漿。由于回填材料能從周圍環(huán)境中吸收濕氣,接地井不需要任何維護也不會變干。深井接地體能突破淺層的高電阻率屏障,充分利用深層土壤相對低電阻率區(qū)域不受冬季凍土及夏季干旱的影響。

5.2 外引網降阻

在風電場的建設中,風機基礎占地和通往各個風機的道路有征地費用。如果合理地利用風場的道路做外引網,不但解決了征地投資問題,而且增大接地網面積,從而降低風機接地電阻。接地網及外延線如圖2所示。

圖2 接地網及外延線

在原地網基礎上,沿g、e、f方向布放外延線,將地網半徑從8 m擴大到70 m,選擇沿e、f、g計算該點地表電位。地表電位沿外延地線分布如圖3所示。

通過以上分析,可以得到以下結論:

(1) 在土壤電阻率高的地區(qū),鋪設外引網是降低接地電阻的有效方法,比單純擴大接地網面積作用大得多。

(2) 在外引網附近的垂直接地極和深井接地極,也是降低接地電阻和附近地電位的有效方法之一,將遠處的地電位引到風機附近,改善了風機附近的土壤性能,起到了很好的降阻效果。

5.3 接地裝置的防腐設計

埋入地下的接地裝置受周圍土壤介質的化學作用和電化學作用而產生破壞,稱為土壤腐蝕。每年都有大量的接地網由于土壤腐蝕而遭到破壞,甚至報廢,電氣設備因接地體被腐蝕而遭受雷擊的事件時有發(fā)生,給電力系統(tǒng)的正常運行及作業(yè)人員的人身安全造成了很大的危害。因此,接地裝置的防腐設計很重要。

圖3 地表電位沿外延地線分布

根據(jù)土壤腐蝕的特性,采取兩種防腐手段:

(1) 天然防腐導電粘土包裹接地極,隔絕土壤,阻止了土壤中的化學腐蝕。

(2) 電解質防腐接地包,可以不斷向電極周圍的土壤補充導電離子,防止接地體受電化學腐蝕,改善周圍土壤電阻率。包內材料以強吸水性、強吸附力和離子交換能力強的物理化學物質為主,實現(xiàn)電極單元與周圍土壤的緊密結合,大大降低接觸電阻,且流動性和滲透性好,增大與土壤的接觸面積,從而增大泄流面積。

6 結 語

貴州山地環(huán)境的土壤電阻率極高,給風機基礎接地工程帶來很大困難,應根據(jù)實際情況和理論計算綜合考慮,以減少風機因遭受雷擊而造成的經濟損失。

[1] 宋國強,張新燕.風力發(fā)電場防雷接地技術[J].電力學報,2012,27(6):564-565.

[2] 楊仲江,李玉照,李慧.風力發(fā)電場防雷接地技術[J].可再生能源,2010,28(5):104-107.

[3] 交流電氣裝置的接地:DL/T 621—1997[S].

Fan Foundation Grounding Design of Weining Snow Mountain Wind Power Project in Guizhou Province

ZHANG Shuxia, ZENG Yong, WU Ankun, LIU Yun

(Guizhou Meteorological Disaster Prevention Technology Center, Guizhou 550002, China)

Combining by Weining snow mountain wind power project in Guizhou Province,this paper introduced the structure design of fan foundation gounding system.According to DL 621—1997,the grounding resistance of fan was calculated.The grounding resistance of fan was reduced by use of the deep well grounding technology and extension net,and the anticorrosion design of the grounding device was carried,in order to reduce the economic loss caused by lightning strike.

fan; foundation grounding design；grounding resistance; ground potential

張淑霞(1987—),女,工程師,從事氣象災害防御技術方面的工作。

TU 856

B

1674-8417(2016)11-0046-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.11.013

2016-09-26

曾 勇(1986—),男,從事雷電防護與接地技術方面的工作。

吳安坤(1986—),男,工程師,從事雷電防護方面的工作。