風(fēng)電場(chǎng)大地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試個(gè)例分析

盧志紅，張世謹(jǐn)，李冬梅

(1.廣東省河源市氣象局，廣東 河源 517000；2.貴州省黔南自治州氣象局，貴州 都勻 558000)

1 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日益成熟，世界各國(guó)將發(fā)展風(fēng)電作為應(yīng)對(duì)氣候變化和提高可再生能源比重的重要舉措。十三五期間，廣東省規(guī)劃布局建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)址147個(gè)、總裝機(jī)容量約870萬(wàn)千W(含2015年底前已核準(zhǔn)項(xiàng)目50個(gè)，裝機(jī)容量290萬(wàn)千W)，僅廣東河源市將建成東源岑田抽水蓄能電站、和平縣紫云嶂風(fēng)電場(chǎng)、龍川大帽山風(fēng)電場(chǎng)、河源電廠二期等項(xiàng)目。風(fēng)電場(chǎng)布設(shè)環(huán)境特殊，接地都采用大型地網(wǎng)接地系統(tǒng)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)許多雷電技術(shù)研究學(xué)者們將不同地理環(huán)境下大型地網(wǎng)設(shè)計(jì)及其接地阻抗測(cè)試方法等做為研究的重要內(nèi)容。如張爭(zhēng)等對(duì)異頻測(cè)試抗干擾技術(shù)優(yōu)越性進(jìn)行了分析[1]；王亞平通過(guò)建立準(zhǔn)確電路模型和數(shù)字計(jì)算模型，通過(guò)無(wú)線傳輸測(cè)試電流、GPS定位裝置固定輔助接地極，分析不拆避雷線進(jìn)行大地網(wǎng)接地阻抗準(zhǔn)確測(cè)量的方法及運(yùn)行狀態(tài)診斷方法，得出不拆避雷線測(cè)出的接地阻抗值要比實(shí)際值小15%～20%的結(jié)論[2]；葉平等研究分析了大型地網(wǎng)接地電阻測(cè)試的內(nèi)容和方法，并進(jìn)行了誤差分析[3]。但這些研究大多是對(duì)測(cè)試方法原理和數(shù)據(jù)處理上的分析，缺少系統(tǒng)的直接指導(dǎo)如何開(kāi)展大地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試的研究。

風(fēng)電場(chǎng)為獲得較高風(fēng)速實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電，多建于山頂或山脊，特殊的地理環(huán)境大大提高了地網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工和檢測(cè)的難度。本文對(duì)一面處于懸崖且現(xiàn)場(chǎng)有高壓線的風(fēng)電場(chǎng)大地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試處理過(guò)程和測(cè)試方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析，以期為復(fù)雜多樣的高山風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)展大地網(wǎng)檢測(cè)工作提供技術(shù)參考。

2 蟬子頂風(fēng)電場(chǎng)大地網(wǎng)概況

國(guó)電電力東源蟬子頂風(fēng)電場(chǎng)工程地理坐標(biāo)介于114°50′～114°56′E之間，23°56′～23°58′N(xiāo)之間，四周皆為山地，面積為12.4 km2，海拔高度在700～1 100 m之間，平均土壤電阻率為1 795.38。裝機(jī)規(guī)模為49.5 MW，共擁有33臺(tái)1 500 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，110 kV升壓站一座。由于風(fēng)機(jī)都裝在高山上，地網(wǎng)敷設(shè)難度大，為滿足接地要求，又相對(duì)方便于施工，采取同一座山或臨近的幾臺(tái)風(fēng)塔共用一個(gè)大地網(wǎng)的接地方式。

3 接地阻抗測(cè)試方法選擇分析

蟬子頂風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基本沿著東西走向設(shè)立，為避免高壓線和風(fēng)機(jī)塔本身對(duì)接地阻抗測(cè)試的干擾，理論上測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)接地線敷設(shè)應(yīng)盡量沿著南北兩個(gè)方向。但由于北邊是懸崖，現(xiàn)場(chǎng)只能考慮從南偏西的方向布線。因項(xiàng)目地形復(fù)雜、土壤不均勻，測(cè)試設(shè)備有限，選擇了四極—異頻—夾角—補(bǔ)償相結(jié)合的測(cè)試方法，消除各種因素引起的誤差。同時(shí)，選擇干燥季節(jié)，避開(kāi)避雷線、地下管線、輸電線的情況下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

4 風(fēng)電場(chǎng)大地網(wǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析

4.1 測(cè)試設(shè)備及測(cè)試參數(shù)

風(fēng)電場(chǎng)地網(wǎng)面積大，常規(guī)電阻檢測(cè)設(shè)備電流小，不適合用到大型地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試，根據(jù)廠房提供測(cè)試參數(shù)要求，建議采用不小于3 A電流進(jìn)行測(cè)試。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試選用(型號(hào)：SKY-2013)大型地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試儀，測(cè)試電流有0.2 A、0.5 A、1 A、2 A、3 A 5個(gè)檔次。因附近有風(fēng)電場(chǎng)箱變，為消除零序電流的影響，測(cè)試過(guò)程中選擇測(cè)試電流3 A，頻率分別選擇45 Hz和55 Hz，選取25號(hào)風(fēng)塔、27號(hào)風(fēng)塔和31號(hào)風(fēng)塔為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。

4.2 測(cè)試誤差隨接地極夾角變化實(shí)驗(yàn)分析

采用異頻—夾角—等距相結(jié)合的測(cè)試方法，將儀器與地極布置成dGC=dGP夾角形狀，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。采集數(shù)據(jù)如下表1：

表1 接地阻抗現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值Tab.1 Ground Impedance Field Test Value

由表1可以看出，當(dāng)電壓線接地長(zhǎng)度與電流線接地長(zhǎng)度相等為2D時(shí)，接地阻抗值隨電流線與電壓線的夾角變大而變小，在夾角30°左右時(shí)接近設(shè)計(jì)實(shí)際電阻值。

表2 夾角θ改變的測(cè)量誤差Tab.2 Measurement error of angle θ change

由上述分析和表2看出，隨著布線角度不斷改變，接地網(wǎng)的測(cè)試電阻誤差率在夾角θ=30°的兩邊呈曲線上升態(tài)勢(shì)。當(dāng)布線夾角θ<30°時(shí)，測(cè)試電阻比設(shè)計(jì)阻抗大；布線夾角θ接近30°時(shí)，測(cè)試電阻與設(shè)計(jì)阻抗基本相同；當(dāng)夾角θ>30°時(shí)，測(cè)試電阻比設(shè)計(jì)阻抗小。

4.3 布線位置α值、布線長(zhǎng)度均改變的誤差實(shí)驗(yàn)分析

針對(duì)蟬子頂風(fēng)電場(chǎng)土壤層有改變，電阻率變化大問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了改變接地極布線位置的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試過(guò)程中增大電流極與被測(cè)接地裝置之間的距離，讓電壓極與被測(cè)接地裝置之間的距離也相應(yīng)的增大。

采用異頻—夾角θ=30°測(cè)試方法，改變dGP和dGC長(zhǎng)度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，采集數(shù)據(jù)如表3：

表3 接地阻抗現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值Tab.3 Ground impedance field test value

由于電流極dGC=D時(shí)，地極布線還在地網(wǎng)區(qū)，干擾大，理論上偏理實(shí)際值大，所以此次不分析dGC=D數(shù)據(jù)，測(cè)試數(shù)據(jù)分析如圖1。

由表4畫(huà)出變化曲線圖如下：

圖1 測(cè)試誤差隨布線位置α值變化曲線圖Fig.1 Curve of test error as a function of wiring position α

由圖1可看出，當(dāng)電壓極布線長(zhǎng)度與電流極布線長(zhǎng)度比值α接近0.6時(shí)，測(cè)量誤差趨于零，當(dāng)遠(yuǎn)離0.6時(shí)，測(cè)量誤差δ隨dGC的增大而減少。

4.4 布線長(zhǎng)度、夾角θ均改變的誤差實(shí)驗(yàn)分析

選擇四極—異頻結(jié)合的測(cè)試方法，將儀器與布線設(shè)置成dGC=dGP形狀，同時(shí)改變布線長(zhǎng)度與夾角θ進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)測(cè)試值，分析不同的dGC與θ值的測(cè)量誤差。

由表4分析數(shù)據(jù)可看到，在θ=30°時(shí)，測(cè)量誤差接近零，測(cè)量誤差δ隨dGC的增大而減少。當(dāng)θ在25°與35°之間時(shí)，測(cè)量誤差δ隨dGP和dGC增大明顯變小。

表4 布線長(zhǎng)度、夾角θ改變的測(cè)量誤差 (單位：%)

5 誤差來(lái)源及消除分析

5.1 誤差來(lái)源

根據(jù)大型地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試方法原理、接地阻抗值變化因素，可以看出測(cè)量誤差的來(lái)源主要有測(cè)試方法、電壓干擾、高頻干擾、接地裝置的零序電流和測(cè)量引線間的互感等幾個(gè)方面。而由測(cè)試方法引起的誤差主要包括測(cè)試地極的位置選擇、使用的測(cè)量?jī)x器以及選擇的測(cè)試電流大小3個(gè)方面。

5.2 消除誤差方法

①在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，因地形復(fù)雜、土壤不均勻或地質(zhì)有突變，想取得更為準(zhǔn)確地確定“零電位區(qū)”，無(wú)論是0.618直線補(bǔ)償法或是30°夾角補(bǔ)償法，其布線方向應(yīng)盡可能的向土壤比較均勻的方向放測(cè)量線，避免向土壤不均勻或地質(zhì)有突變的方向測(cè)量。

②在實(shí)際測(cè)試中，可以采用使用高內(nèi)阻、增大電流引線截面積、并聯(lián)電容、增大測(cè)試電流、倒相法、三相電源、暫時(shí)斷開(kāi)中性線、四極法、異頻法等方法手段消除各種因素引起的誤差，各種方法互相聯(lián)系、相輔相成。

③在實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，避雷線、地下管線、輸電線等對(duì)接地阻抗測(cè)試值也有不同程度的影響，會(huì)使測(cè)試值偏小，應(yīng)盡可能避開(kāi)。另外，土壤電阻率對(duì)測(cè)量結(jié)果有明顯影響，導(dǎo)則規(guī)定接地裝置測(cè)試應(yīng)盡量在干燥季節(jié)，測(cè)量不應(yīng)在雷雨后立即進(jìn)行。

6 測(cè)試注意事項(xiàng)

①出發(fā)現(xiàn)場(chǎng)前檢查設(shè)備工具是否帶齊全，是否準(zhǔn)備勞保裝備。

②在實(shí)際測(cè)試工作中，要對(duì)大型地網(wǎng)周?chē)M(jìn)行詳細(xì)的勘查，盡量避開(kāi)信號(hào)干擾源、建筑物、湖泊等以減少測(cè)量結(jié)果的誤差。

③為使得測(cè)試順利進(jìn)行，測(cè)試前先用萬(wàn)用表檢查測(cè)試導(dǎo)線與地極的接觸點(diǎn)是否完好，線路是否有斷開(kāi)。

④布線時(shí)要注意線路是否有交叉，是否拉直，是否與周?chē)芫€形成回路。

⑤進(jìn)行測(cè)試工作時(shí)要注意工作人員的自身安全，使用儀器時(shí)請(qǐng)勿觸摸面板接線端子以及引線的裸露部分。

7 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)例對(duì)大型地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了分析，得出結(jié)論：

①由于大型地網(wǎng)面積大，四周環(huán)境復(fù)雜，各種信號(hào)干擾大。開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試前，做好測(cè)試方案，根據(jù)現(xiàn)有測(cè)試儀器和測(cè)試條件選定測(cè)試方法。同時(shí)，盡量使用操作簡(jiǎn)單且抗干擾能力強(qiáng)的儀器。

②實(shí)驗(yàn)證明，大型地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試接地極布線采用0.618測(cè)試方法、30°夾角測(cè)試法是相當(dāng)科學(xué)的。

③接地阻抗測(cè)量誤差主要由測(cè)試方法、信號(hào)干擾、接地裝置的零序電流和測(cè)量引線間互感、避雷線、電力線等方面引起，可采用高內(nèi)阻、增大電流引線截面積、并聯(lián)電容、增大測(cè)試電流、倒相法、三相電源、暫時(shí)斷開(kāi)中性線、四極法、異頻法等方法手段消除。

④由測(cè)試方法引起的誤差主要包括測(cè)試地極的位置選擇、使用的測(cè)量?jī)x表以及測(cè)試電流的大小3個(gè)方面。實(shí)踐證明，這些誤差可以在測(cè)試過(guò)程中直接避免或減小。