风电场接地设计

激光淬火不失为解决风机内齿圈强化的一条有效工 艺措施。从仅有的试验情况来看，激光淬火的工艺稳定 性较渗碳差，但比感应淬火要好，特别能较好地解决齿 根圆的强化问题，且零件淬火后的畸变量也大大优于感 应淬火，激光淬火与感应淬火的抗低温冲击能力接近，数 据的离散性也较感应淬火为小。虽然激光淬火的硬化层 深也较浅，但比渗氮的渗层要深一些，工艺规范性也没 有其他常规热处理成熟，但已获得市场的追捧，也补充 了市场需求的部分空白。
渗碳齿轮淬火后回火时，都会出现尺寸收缩，回火 温度越高，收缩变形量越大。结合生产实际试验，采用 相应的工艺措施防止和减小齿轮渗碳淬火变形，对提高 产品质量，降低生产成本都至关重要。
４ 结束语
近年来，我国在风电齿轮钢及其热处理技术研制开 发方面取得了一定的成就，但与国外先进水平相比还存 在很大的差距，尤其是缺乏实践经验，还需要通过开展 齿轮钢筛选试验和热处理工艺研究，来保证风电机组齿 轮噪声的进一步改善和寿命的进一步提高，这仍然是风 电行业需要继续攻克的难题。EM
由于单台机组接地网满足工频接地电阻＜１０ Ω，冲 击电阻小于工频电阻，所以，防雷接地电阻＜ １０ Ω满足 条件。
３） 风机所在位置的土壤电阻率很高，单台机组接地 网的接地电阻不能满足＜１０ Ω。
按照规程的要求，工作接地电阻是必须要＜４ Ω，因 此可以按照 ２）的方案一把风电场局部区域的若干台风机 的接地网连接起来扩大地网，以保证接地电阻＜４ Ω。只 是由于土壤电阻率很高，需要连接的风机数量会增加一 些。也可以按照２）的方案二外引接地极或外接接地网，以 保证工频接地电阻＜４ Ω。
（收稿日期：２０１０－０８－１１）
（上接第 ４９ 页） １） 风机的工作接地电阻应该≤４ Ω，防雷接地电阻
在低土壤电阻率（≤ ５００ Ω·ｍ）地区应该≤ １０ Ω，高土壤 电阻率（＞ ５００ Ω·ｍ）地区采取措施仍然不能满足＜ １０ Ω，此种情况需要采取相应的措施，例如换土或深井接 地，同时加强风机内部设备的防雷屏蔽措施。
风机制造厂家 丹麦 Ｖｅｓｔａｓ 丹麦 Ｍｉｃｏｎ 美国 Ｚｏｎｄ 德国 Ｎｏｒｄｅｘ 东方汽轮机厂
表1
要求接地电阻 / Ω １０ ６ ６ ２ ４
湘电风能有限公司
４
新疆金风科技
４
北重汽轮机有限公司
４
武汉国测电力
４
华锐风能有限公司
４
参考标准 ＩＥＣ － １０２４ － １／２ ＩＥＣ － １０２４ － １／２ ＩＥＣ － ６１４００ － １ ＩＥＣ － ６１４００ － １ ＩＥＣ － ６１４００ － １ ＩＥＣ － ６１４００ － １ ＩＥＣ － ６１０２４ － １ ＩＥＣ － ６１４００ － １ ＩＥＣ － ６１４００ － ２４
所测量的接地电阻值，是在低频、电流密度不大的 情况下测得的，或是用稳态公式计算得出的电阻值。但 在雷击时，雷电流是非常强大的冲击波，其幅值往往达 到几万甚至几十万安。由于流过接地装置电流密度增大， 以致土壤中的气隙、接地体与土壤间的气层等处发生火
· ２０１０年第９期
Research & Design 设计研发
３ 减小渗碳齿轮热处理畸变的措施
从表 ２可知，对于某一确定形状的齿轮，涉及和钢材
表 2 影响渗碳齿轮热处理畸变的主要因素
影响因素 设计 钢材 锻造
预先热齿轮 切削加工 渗碳淬火
造成齿轮畸变的因素 形状对称性及截面均匀性差，轮辐结构差 晶粒度不均匀带状组织严重，淬透性带宽 锻造流线不对称，锻后冷却不均匀 加热温度过高或过低，冷却不均匀 切削量过大，工艺孔位置不当 加热不均匀，渗碳夹具设计不合理，冷却剂及 冷却规范选择不当，渗层质量不均匀
１ 对风电场风力发电机组接地电阻的要求
风力发电机组的接地应该分为工作接地和防雷接 地。这两个接地的接地电阻是不一样的。根据 ＤＬ／Ｔ６２１ － １９９７《交流电气装置的接地》规定，对于风力发电机 组的工作接地应≤ ４ Ω。对于防雷接地电阻在土壤电阻 率≤ ５００ Ω·ｍ 的地区≤ １０ Ω；在高土壤电阻率的地 区，允许接地电阻＞ １０ Ω，但要满足空中距离和地中 距离的要求。由于风力发电机组仅有一个共用的接地装 置，接地电阻应符合其中最小值。因此，按 ＤＬ／Ｔ６２１ － １９９７《交流电气装置的接地》规定，通常机组接地电阻 取值为＜４ Ω。
因此，我们应该明确风机的工作接地电阻应该≤４ Ω， 防雷接地电阻在低土壤电阻率（≤ ５００ Ω·ｍ）地区应该 ≤１０ Ω。
２ 工频接地电阻和冲击接地电阻的区别
通常所说的接地电阻都是对于工频电流而言，也就 是工频接地电阻。当接地装置通过雷电流时，由于雷电 流有强烈的冲击性，接地电阻发生很大变化，为了区别 起见，这时的接地电阻称为冲击接地电阻。
是不易改变的，用锻后余热等温退火代替二次加热正火， 避免了锻后冷却不均匀和正火后冷却不均匀现象。通过 调整余热等温退火的温度等，预先热处理后可获得均匀 的组织和适当的晶粒度。
试验表明，通过改善齿轮用钢（改变钢材牌号）锻造、 预先热处理等因素，可有效减小热处理变形。但是，渗 碳齿轮淬火后的心部硬度与齿轮主导应力方向的变形程 度之间有一定关系。当心部硬度在 ３０～３３ ＨＲＣ 范围时， 多数齿轮淬火后不产生明显的收缩或胀大变形。随着淬 火后心部硬度提高，胀大变形率增大。
风电齿轮箱内齿轮在渗氮前，通常都要进行调质处 理，齿轮在调质过程中组织应力和热应力的相对大小决 定着齿轮热处理畸变的大小，此外，调质工艺也决定着 心部硬度和强度的大小。对 ４２ＣｒＭｏＡ 钢材的调质硬度由 ２３０～２８０ ＨＢＷ，提高至 ３００～３３０ ＨＢＷ，只有在机加工 允许的前提下是合适的。齿轮调质工艺的制定以钢材的 淬透性稳定为前提，淬透性稳定，优化的调质工艺才是 有意义的。 ２．３ 内齿圈的强化途径
表2
土壤电阻率 / Ω·m ≤ ５００ ≤ １ ０００ ≤ ２ ０００ ≤ ５ ０００
最大长度 / m ４０ ６０ ８０ １００
这在ＩＥＣ ＴＲ６１４００－２４ 风力发电机系统防雷保护篇 章中也有说明。
３ 按要求设计接地电阻
在明确了风机的工作接地电阻和防雷接地电阻后， 就可以按规定设计风机的接地网。我国风电场风机的接地 网基本都围绕风机基础做环形水平接地网，在水平接地网 上加垂直接地极。由于不同工程的地质条件不同，各风机 布机处的土壤电阻率也大不相同，低的几十欧·米，高的 达到几千欧·米。因此风机的接地电阻差别很大，所达到 的效果也不相同。下面分几种情况来讨论：
目前国内运行的风力发电机组对接地电阻的要求不 太一致，见表 １。其中各个风机制造厂给出的是风机的工 作接地电阻，而不是防雷接地电阻要求值。根据 Ｉ Ｅ Ｃ ＴＲ６１４００ － ２４《风力发电机系统 防雷保护》篇章中９．１．２ 条规定，风机的防雷接地电阻在＜１０ Ω时就可以不考虑 外引接地线。这就说明风机的防雷接地电阻只要＜１０ Ω 就可以了。
相同制造厂给出的应该如前 ２）所述，地网在冲击电 流的作用下，只有电流注入附近一小块范围内的导体起 到散流作用，无论地网有多大，对应冲击电流其有效面 积却是一定的，有效面积之外的导体并不能起到泄放雷 电流的作用。由于土壤电阻率很高，单台接地机组接地 电阻在有效面积内的接地电阻达不到＜ １０ Ω，此时可以 采取的有效措施主要是换土，降低土壤电阻率或者采用 深井接地等措施。同时应当与风机厂家协商，对风机采 取一些防护措施加强内部设备安全性，例如加强内部设 备屏蔽，采用隔离变压器等。
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风电场接地设计
对于风力发电机组本身的防雷，各制造厂家都有典型和成熟的设计方案，而需要解决的主要问题 就是风力发电机组的接地。
■ 石巍 王秋红 ／ 中南电力Fra bibliotek计院48
近 几年，随着国际能源的匮乏和各国对低碳经 济的倡导，世界上掀起了一股新能源的浪潮。 我国的新能源事业也正迅速发展，风力发电进入了新的 阶段。截止 ２００９ 年 ６ 月底，我国风电并网装机 １ １８１ 万 ｋＷ，风力发电达到 １２６ 亿 ｋＷ·ｈ。目前我国北方的风电 场主要集中在新疆、内蒙古、河北和东北地区的高原及 戈壁地区，南方的风电场主要集中在丘陵和山区。将来 沿海和海上风电场将是发展的主要方向。 由于风电场所处的位置风资源比较好，相对也比较 空旷，因此遭受雷击的概率也比较高。对于风力发电机组 本身的防雷，各制造厂家都有典型和成熟的设计方案，而 需要解决的主要问题就是风力发电机组的接地。
ＩＥＣ － ６０３６３ ＩＥＣ － ６１４００ － １ ＩＥＣ － ６１４００ － １
同时，中国船级社《风力发电机组规范》中规定：为 了将雷电流流散入大地而不会产生危险的过电压，应注 意接地装置的形状和尺寸设计，并应有低的接地电阻，其 工频接地电阻一般应＜ ４ Ω，在土壤电阻率很大的地方 可放宽到１０ Ω以下。
内齿圈是风电齿轮箱的核心重要部件，前期多采用 渗碳淬火进行内齿强化，然而内齿圈的渗碳淬火畸变严 重影响产品质量和生产进度。目前采用内齿感应高频淬 火，或内齿渗氮处理等齿面强化手段，虽然基本可以解 决热处理畸变问题。但是，对风电机组，特别是影响风 电齿轮箱的使用寿命的关键之一，核心重要零部件—— 内齿圈而言，质量仍难以得到普遍认同。
４ 结束语
风电场风机接地可以按照以下原则设计： （下转第 ６６ 页）
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装备材料 Equipment & Materials
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马氏体针的长短，故齿轮渗碳淬火后可不检验马氏体，但 在显微组织观察中，马氏体针与残余奥氏体密切相关，粗 大的马氏体针总是伴随大量的残余奥氏体存在。 ２．２ 调质工艺对内齿轮性能的影响
花放电现象，土壤电阻系数变小，并且土壤与接地体间 的接触面积增大，结果相当于加大接地体尺寸，降低冲 击电阻值。这在冲击接地电阻计算公式中也可以看出。冲 击接地电阻计算公式如下
Ｒｉ ＝α Ｒ 式中 α——冲击系数；
Ｒ——工频接地电阻； Ｒｉ——冲击接地电阻。 α一般＜ １，所以冲击接地电阻一般小于工频接 地 电 阻 ，故 工 频 接 地 电 阻 ＜ １ ０ Ω ，则 冲 击 接 地 电 阻 就 ＜ １ ０ Ω 。 由于接地体自身的电感阻碍电流向远端流动，使得 接地体得不到充分利用，地网导体上的电位分布很不均 匀，离冲击电流注入点越远的地方，接地体上的电位就 越低，甚至为零。因此，地网在冲击电流的作用下，只有 电流注入附近一小块范围内的导体起到散流作用，无论 地网有多大，对应冲击电流其有效面积却是一定的，有 效面积之外的导体并不能起到泄放雷电流的作用。根据 《交流电气装置的接地》要求，放射性接地极的有效长度 见表 ２。