风电场接地设计

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。
（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。
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。
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Байду номын сангаас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。
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。
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。
设计研发 Research & Design
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 ／ 中南电力设计院
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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。
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。
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
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。
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。
１） 风机所在位置的土壤电阻率较低，可以满足较小 的接地网就可以做到接地电阻＜４ Ω。
工作接地和防雷接地的接地电阻都可以满足条件。
２） 风机所在位置的土壤电阻率较高，单台机组接地 网的接地电阻可以满足＜ １０ Ω，但不能满足接地电阻 ＜４ Ω。
按照规程的要求，工作接地电阻是必须要＜４ Ω，在 工程中采取的方案有两个，一是把风电场局部区域的若 干台风机的接地网连接起来，以保证接地电阻＜４ Ω。实 际就是扩大了接地网，以减小接地电阻。由于风机之间 的间距一般在几百米的范围之内，风机接地网通过两根 水平接地干线互相可靠连接起来，到达接地电阻＜ ４ Ω 是可行的。二是外引接地极或外接接地网，以保证接地 电阻＜ ４ Ω。采用放射状外引接地极以扩大接地面积并 向外引到土壤电阻率较低的位置。在山区也可以采取在 山脚下或半山腰土壤电阻率低的位置设置接地网，再与 风机接地网连接。这样做到接地电阻＜４ Ω也是可行的。 这两个方案在具体的工程施工中可以联合使用。
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）
２０１０ 年第 ９ 期 ·
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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
２） 风机的外引接地极或外接接地网如果只是考核工 频接地电阻，没有距离的要求，但如果考核冲击接地电 阻，应该按照规程设计外引导体的长度。
３） 不建议采用降阻剂等方案，根据以往的工程经验， 化学性的降阻剂对接地材料和设备基础的腐蚀比较严重， 而物理性的降阻剂使用效果不明显。故不建议采用降阻 剂方案。
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
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。
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
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
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。