风力发电场接地

风力发电防雷接地

沈阳天利和电子有限公司总工程师郭维

【摘要】：风电场的接地工程直接关系到风力发电机安全工作，是风机防雷的重要保证。本文通过理论分析并结合工程实际，系统地阐述了风电场接地的形式、要求及特点,对风电系统进行直击雷保护、感应雷保护的接地问题提出了较好地解决方案。

【关键词】风电防雷冲击电流接地

1.引言

风力发电是借助风能动力来发电的。为了有效利用风能，通

常风力发电机位于周围开阔的疾风区，随着风力发电机组的单机

容量越来越大，为了吸收更多风能，风机的高度必须随着叶片直

径增加而不断升高，由于其高度远高于周围的地形地物，再加上

风力发电机安装地点土壤电阻率通常较高，非常容易遭受雷击。

可以说雷击已成为自然界中对风力发电机组安全运行危害最大的

自然灾害，因此，加强风力发电机组件防雷是极为重要的。

2. 风力发电机组件被雷击的原因

风力发电机组件能否避免遭受雷击，有两个很重要因素，一

是采取有效的防雷措施，二是及时有效地将雷电流传导至大地。

只要我们做好了以上两点，就可以降低使风电机组件的雷击的风险。IEC TR 61400-24报告指出：风力发电机的防雷通常不同于普通建筑物的防雷，它需要重点解决叶片和轮毂、齿轮箱、轴承、传动装置、发电机、电气及控制等系统的雷电防护。为此报告给出了德国统计的风机主要部件遭受雷击的数据(见下图)。

统计数据表明：风机遭受的雷击分直接雷击和非直接雷击，直击雷是造成风机叶片、轮毂及齿轮箱等机械结构件损坏的主要因素，非直击雷主要针对风机的电气装置产生破坏作用。不论是哪种雷击产生的损坏，都与风机的接地系统紧密相关。由于雷电流总是选择电阻小的路径传导，发生雷击时，只要能保证风机传导雷电流通道阻抗足够低，连通导线有足够的导电截面及良好的导电性，就能迅速将雷电流安全地引入大地，使风机免遭雷电破坏。因此，对于风力发电机组的防雷来说，

建立低阻抗的泄流通道尤为重要，它是迅速将雷电流引入大地，尽可能地减少雷电流导入设备，使风机雷击损失降到最低的重要保证。

3 风机接地网

3.1风机防雷的特点

风机自身的特殊性决定了风力发电机的防雷不同于其他建筑物。首先是位于旷野的风力发电机高度过高（超过60米滚球半径），使暴露在外的由复合材料所制成风机叶片和引擎盖不能承受直接雷击或传导雷电电流；叶片和引擎盖在旋转，雷电流必须通过风力发电机组件传导至地面，雷电流会直接或间接的通过几乎所有的风力发电机的组件；风机安装位置的接地土壤条件较差。因此，要想达到较好的防雷效果，要求接地电阻越小越好，这样就必须将风场内所有风机基础钢筋和地网间利用导电截面积足够的金属导体连接为一体，形成可靠的低电阻地网。

3.2 接地的形式

按照I E C T R61400-24报告的要求，为使风机将雷电流泻放到大地，每个风机都必须设置自己的低阻抗接地系统，并与整个风场的接地系统相连接，形成一个巨大的地网。但实际情况是：很多风场的风机接地系统的设计，只采用其本身的钢筋混凝土基础做接地体，并未沿着基础另外做环形接地网。一个比较有效的风机接地，应将塔基钢筋混凝土与其外围的环形接地网相连，并通过电缆沟与整个风场的接地系统相连。

图1

一般每个风机环形地网的附加的接地应不少于两个，至于环形接地网采取水平接地体还是垂直接地体，要根据风场的土壤实际情况来确定。见下表：

3.3 接地网设计

根据GB50057-94（2000）规范要求，评价防雷地网的主要技术指标有三个，即接地体流散电阻（冲击接地电阻R i ）、接地体的有效长度（L e ）及接地面积（A ）。对于防雷接地来说，这三个指标按“规范”的表述是并列的，必须全部满足，而非仅满足其一即可。在地网设计和实际施工时，要同时满足冲击接地电阻R i 值，有效的地网接地面积（A ）和有效长度（L e ）。

3.3.1 冲击接地电阻R i 与接地有效长度（L e ）

雷电冲击电压的最大值与冲击电流最大值的比值即为冲击接地电阻（R i ），冲击接地电阻并无实际物理意义。在雷电高频冲击电流的作用下，接地体的呈现的电感效应将阻止电流向接地体的远端泄放，远端接地极则不能象近端接地体一样有效地泄放雷电流。在工程中，我们只能对工频接地电阻进行测试，冲击接地电阻只能靠换算得出，即R i =αR ~，α为冲击系数，通过实验方法取得，α一般小于1。冲击接地电阻的大小与接地体的形状、冲击电流的幅值及土壤的电气参数有关。

受雷电流冲击特性的影响，接地体的长度受到一定限制，超出接地有效长度（L e ）以外的接地体，对雷电流的泄流贡献很小。接地体有效长度与接地体的形式和土壤电阻率有关，即ρ2

=e l 。

通常风机的地网大多采用圆环形地网，当环形地网的周长的一半≥L e 时，α取1；当环形地网的周长的一半

3.3.2地网的有效接地面积（A ）

接地电阻与接地的面积成反比，接地面积愈大，在同样土壤电阻率的情况下，接地电阻越小。在雷电冲击电流的作用下，一方面地网呈现的电感效应将阻碍雷电流向远端接地体散流，限制了地网面积；另一方面施工现场不能满足更大的接地面积。在风机接地现场受限的情况下，要满足接地电阻的设计要求，采用垂直地极或深埋地极就成为工程施工的必然选择。

3.3.3 补充接地的选择

风机基础外部的防雷接地装置应塔基围绕设成圆环形接地体，当土壤电阻率较高时，很难将接地电阻做下来，必须采用补充接地。环形接地体补充接地应按一下原则选择。

1)当土壤电阻率ρ小于或等于500Ωm 时，对环形接地体所包围的面积的等效圆半径

π/A ≥5 m 时，环形接地体不需补加接地体；对等效圆半径π/A <5 m 的情况，每一引下线

处应补加水平接地体或垂直接地体。