山地風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)接地問(wèn)題研究

李 翔

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 611130)

1 概 述

我國(guó)風(fēng)電資源十分豐富?！吨械た稍偕茉窗l(fā)展項(xiàng)目中國(guó)可再生能源發(fā)展路線(xiàn)圖2050》顯示，我國(guó)的風(fēng)能資源潛力在30億kW以上，其中陸上風(fēng)電70 m高度的潛在開(kāi)發(fā)量為26億kW，占比總開(kāi)發(fā)潛力的86%以上。積極情景下，到2020、2030和2050年，我國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量將分別達(dá)到3億kW、12億kW和20億kW，風(fēng)電發(fā)電量將分別達(dá)到0.6萬(wàn)億kW·h、2.4萬(wàn)億kW. h和4萬(wàn)億kW·h[1]。目前，為充分利用山地區(qū)域，我國(guó)山地風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模急速上升，同時(shí)也面臨風(fēng)機(jī)安裝地點(diǎn)常遇高雷暴天氣、土壤電阻率較高或土壤電阻率不均勻的問(wèn)題。如何在這種情況下依然能夠滿(mǎn)足相關(guān)接地防雷標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工已成為目前山地風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)防雷接地設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。筆者對(duì)其進(jìn)行了分析，旨在更好地發(fā)展我國(guó)的風(fēng)電事業(yè)。

2 風(fēng)電機(jī)組本體的防雷設(shè)計(jì)

高雷暴地區(qū)的雷暴發(fā)生概率遠(yuǎn)大于普通地區(qū)。雷暴釋放的瞬時(shí)能量有可能造成風(fēng)電機(jī)組葉片的損壞、發(fā)動(dòng)機(jī)絕緣被擊穿、控制元件燒毀的嚴(yán)重后果。由于目前的風(fēng)電機(jī)組為提高單機(jī)容量，其輪轂高度和葉輪直徑亦逐漸增加，相對(duì)而言遭到雷擊的概率也一同增加，因此，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組本體防雷設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高。雷擊對(duì)風(fēng)電機(jī)組造成的損害主要是雷擊產(chǎn)生的熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)，間接危害主要有雷電電磁感應(yīng)效應(yīng)和電涌過(guò)電壓效應(yīng)。

為解決上述問(wèn)題，風(fēng)電機(jī)組本體的防雷設(shè)計(jì)主要需要完善直擊雷防護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括接閃系統(tǒng)和導(dǎo)雷系統(tǒng)，而其接閃系統(tǒng)主要包括葉片接閃系統(tǒng)和機(jī)艙接閃器。

(1)葉片接閃系統(tǒng)。葉片接閃系統(tǒng)由葉片雷電流接收器和葉片引下線(xiàn)組成。葉片接閃系統(tǒng)必須能夠承受IEC 61400-24中LPLⅠ(Lightning Protection Level)所規(guī)定的雷電流參數(shù)且葉片不能有結(jié)構(gòu)上的損壞。在設(shè)計(jì)葉片時(shí)，需要考慮葉片在遭到直擊雷時(shí)葉片葉尖接閃器在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)要如何才能夠準(zhǔn)確地接閃。葉片引下線(xiàn)應(yīng)敷設(shè)于葉片內(nèi)部腹板上，其引下線(xiàn)分別與葉尖、葉身接收器和葉根法蘭可靠連接，葉片接閃器表面不允許出現(xiàn)油漆涂層，以確保其可以承受由于雷電引起的熱能、機(jī)械能、電動(dòng)力等綜合效應(yīng)。對(duì)于山地風(fēng)電場(chǎng)往往都處于高雷暴區(qū)域的情況，風(fēng)機(jī)葉片應(yīng)考慮增加導(dǎo)雷條。

(2)機(jī)艙接閃器。通常，機(jī)艙頂部的氣象站支架上安裝有一個(gè)金屬接閃桿。接閃桿的保護(hù)范圍需覆蓋機(jī)艙尾部和機(jī)艙兩側(cè)，采用滾球法(最小半徑值為20 m)設(shè)計(jì)接閃桿的高度和保護(hù)范圍。對(duì)于機(jī)艙外帶有通風(fēng)散熱裝置的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，應(yīng)充分考慮該部分和機(jī)艙內(nèi)金屬部件的等電位連接，使雷電流可以順暢傳遞。

針對(duì)導(dǎo)雷系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)外主流風(fēng)機(jī)制造廠(chǎng)商設(shè)計(jì)的導(dǎo)雷系統(tǒng)有兩條路徑：一條為由葉片接閃系統(tǒng)開(kāi)始的雷電流路徑，另一條為機(jī)艙接閃桿開(kāi)始的雷電流路徑。葉片接閃系統(tǒng)雷電流路徑包括葉片法蘭、變槳軸承、輪轂、主軸、主機(jī)架、塔架、基礎(chǔ)接地以及相應(yīng)的連接導(dǎo)體；機(jī)艙接閃桿雷電流路徑包括接閃桿、主機(jī)架、塔架、基礎(chǔ)接地以及相應(yīng)的連接導(dǎo)體。

3 風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)接地設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組的接地系統(tǒng)是作為快速分散消潰雷電流和防止風(fēng)電機(jī)組因雷擊而損壞的有效措施，同時(shí)也是保護(hù)地面人員人身安全的重要手段。風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)接地設(shè)計(jì)需要解決的問(wèn)題主要有接地電阻問(wèn)題、地網(wǎng)均壓?jiǎn)栴}、設(shè)備接地問(wèn)題、接地線(xiàn)熱穩(wěn)定問(wèn)題、接地材料腐蝕問(wèn)題等。筆者主要就接地電阻問(wèn)題進(jìn)行了分析。

從國(guó)內(nèi)外權(quán)威風(fēng)機(jī)防雷接地相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)看，其普遍對(duì)于風(fēng)機(jī)工頻接地電阻及沖擊接地電阻并無(wú)統(tǒng)一的明確要求(表1)。

表1 國(guó)內(nèi)外主要規(guī)范對(duì)于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)接地電阻相關(guān)要求表[2～6]

因此，目前我國(guó)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)接地電阻的設(shè)計(jì)值和實(shí)際值均是在參考國(guó)內(nèi)外主要標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)、以主流風(fēng)機(jī)制造廠(chǎng)家的要求為準(zhǔn)。如金風(fēng)兆瓦機(jī)組防雷與接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)(陸地型)要求“(1)單臺(tái)機(jī)組的工頻接地電阻R<4 Ω；(2)單臺(tái)機(jī)組的工頻接地電阻R<10 Ω，此時(shí)，必須進(jìn)行多機(jī)聯(lián)合接地，且聯(lián)合接地的工頻接地電阻R<4 Ω”；運(yùn)達(dá)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷設(shè)計(jì)規(guī)范要求“風(fēng)力機(jī)組接地電阻小于4 Ω”；遠(yuǎn)景能源風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷與接地技術(shù)規(guī)范同樣要求“工頻接地電阻小于4 Ω”。

目前，風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)一般采用擴(kuò)大地網(wǎng)法、換土法、深井接地法、填充降阻劑或采用離子接地極等方法和措施。而面對(duì)山地風(fēng)電場(chǎng)這類(lèi)土壤電阻率較高、地形復(fù)雜的項(xiàng)目，主要還需采用合適面積的異形地網(wǎng)(風(fēng)機(jī)平臺(tái)外形)、外延放射極、深井接地、填充降阻劑結(jié)合的方法才有可能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的接地電阻，其整體設(shè)計(jì)方案及施工較為復(fù)雜。

筆者以某山地風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目為例，該風(fēng)電場(chǎng)各機(jī)位平均土壤電阻率為3 000 ～4 000 Ω·m，屬于高土壤電阻率地區(qū)。在接地網(wǎng)設(shè)置方面，設(shè)計(jì)院主要采用B型接地裝置(沿風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周邊設(shè)置環(huán)形接地裝置，根據(jù)GB/T 21714.3—2015《雷電防護(hù) 第3部分：建筑物的物理?yè)p壞和生命危險(xiǎn)》，B型接地裝置可以是位于需保護(hù)建筑物外面且總長(zhǎng)度的80%至少與土壤接觸的環(huán)形導(dǎo)體或基礎(chǔ)接地極構(gòu)成的閉合環(huán)路，接地極可以是網(wǎng)狀。附加垂直接地極和水平接地極可以與環(huán)形接地極組合使用，接地極埋深至少為0.5 m)為主，輔以水平接地體(鍍鋅扁鋼)進(jìn)行主接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)。其中環(huán)形接地網(wǎng)總共為4個(gè)，1號(hào)水平接地環(huán)埋深為-0.8 m，2號(hào)和3號(hào)水平接地環(huán)埋深為-4 m，4號(hào)水平接地環(huán)位于塔筒底部+0.15 m處。除此之外，另外設(shè)計(jì)了2根貫穿風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的十字水平接地體，且與環(huán)形接地網(wǎng)可靠焊接，埋深為-0.8 m。所有水平接地體均采用低電阻率的黏土回填并加水夯實(shí)。整個(gè)接地系統(tǒng)共采用8根、3 m長(zhǎng)的垂直接地極(鍍鋅鋼管)分散敷設(shè)，各接地極周?chē)靥铍娮杪什淮笥? Ω·m的物理降阻劑。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)接地環(huán)網(wǎng)與箱變基礎(chǔ)接地環(huán)網(wǎng)應(yīng)連接在一起，接地引出線(xiàn)方向根據(jù)箱變位置確定，連接引線(xiàn)不少于2根。其具體做法見(jiàn)圖1、2。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)接地平面布置圖

圖2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)接地剖面布置圖

按照上述做法施工后，應(yīng)記錄下單臺(tái)機(jī)組接地網(wǎng)實(shí)測(cè)接地電阻值，其應(yīng)不大于4 Ω。針對(duì)高土壤電阻率的風(fēng)電場(chǎng)，在一般平臺(tái)區(qū)域碎石較多，按照DL/T 475-2017 《接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則》的規(guī)定，在土壤電阻率較高的地區(qū)，測(cè)量時(shí)為了降低電流極接觸電阻帶來(lái)的較大誤差，應(yīng)在電流極的位置用鹽水澆灌或增加電流極根數(shù)用以降低誤差。如采用直線(xiàn)法，隨著電流極的移動(dòng)，接地電阻變化較大，按照規(guī)范要求，連續(xù)按5%的電流極與接地網(wǎng)距離間隔移動(dòng)3次，如接地網(wǎng)電阻變化小于5%則可認(rèn)為所測(cè)接地電阻基本與實(shí)際接地電阻一致(此條在實(shí)際測(cè)量中務(wù)必執(zhí)行)。如未達(dá)到要求，則需采取相近風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)外引互聯(lián)，必要時(shí)各風(fēng)機(jī)位需采取深井接地方案，或采用離子接地極、高效接地模塊等材料，直至單臺(tái)風(fēng)機(jī)工頻接地電阻降至4 Ω以下。

4 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)的山地風(fēng)電場(chǎng)大多面臨雷暴天數(shù)較多、土壤電阻率高、接地土質(zhì)條件差的問(wèn)題，如不針對(duì)風(fēng)電機(jī)組本體及基礎(chǔ)接地進(jìn)行有的放矢的設(shè)計(jì)，很有可能會(huì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行、人身安全及項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益造成不可估量的傷害。因此，如何在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)合理的情況下最大程度地滿(mǎn)足山地風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行的問(wèn)題也越來(lái)越受到各方面的關(guān)注。筆者在文中對(duì)面臨高雷暴、高土壤電阻率問(wèn)題的山地風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)接地問(wèn)題進(jìn)行了分析，旨在與同行探討交流，為類(lèi)似工況的風(fēng)電場(chǎng)防雷接地設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。