风力发电机组接地工程设计

前言：随着风力发电行业的快速发展，由接地问题导致出现的各种运行问题逐步开始暴露。由于早期风力发电机组的接地没有相应的行业和国家标准，导致风力发电机组的接地标准较为混乱，有工程参照企业标准，也有参照电力行业相关标准，并且接地材料的选择也存在问题。随着多年的运行，目前国内风力发电机组较大数量的风场机组运行在高接地电阻状态。本文仅对接地的工程设计提出自己的一些看法。

1．风力发电机组的接地特点

风力发电机组的接地主要分为电源共用接地和防雷接地两个部分，其中电源共用接地主要是由于风力发电机组的供配电及传输制式决定的。目前，大多数风力发电电机组的低压端配电采用TN-C制式即三相四线系统，发电机变流器输出与厢式变电站之间是三根火线一根N线，并且N线与基础钢筋笼连接，实际成为NPE线。而防雷接地即包括了基础的部分，也包括了基础之外的增加的地网的部分。一般的设计是在基础上均布三条60×6mm的接地扁钢作为防雷地线与基础环连接，实际上将是作为电源N线地网的辅助和基础地网面积的增加。从防雷角度而言是增加了地网面积，而在土壤电阻率一定的前提下，降低了工频接地电阻。

2.接地工程设计

2.1风力发电机组机位的接地电阻计算

由于机位所处的地质条件不同，所处的土壤电阻率也不同，所以全场机位的接地电阻设计应具备差异性，如图1中显示了不同机位的土壤电阻率，可以看出同一机位不同深度层面的土壤电阻率有着较大变化。

图1中可以看出9+机位的土壤电阻率的典型值分布，该机位表层土壤电阻率约为2300Ω·m；中层的土壤电阻率达到了3500Ω·m；而到了深层又降低到800Ω·m左右，对于该机位的接地电阻设计应采用不均匀土壤电阻率的接地公式计算。当地质条件具有两层电阻率结构时，其接地电阻为：

公式（1）

用公式（1）与均匀电阻率的R进行比较，可计算等值电阻率为：

其中：

由于实际工程计算时上下两层土壤的电阻率存在变化，且范围较大不便于进行回归，为此在计算时引入一个系数K，使等值土壤电阻率

公式（4）

这样可以把变化率较大的转换在0和1之间的K值，当K=0时，

有，K=1时，，因此对的回归可以简化为对K值的回归。

实际上在双层地质条件下水平地网的K值主要与两层地网中上层土壤的电阻率、下层土壤电阻率、上层土壤的厚度S、地网面积A及地网网格的密度M等多个因素的影响，可以表达为：

K=K0+Km公式（5）

Km是网格数m的函数，由Kmn和KmA组成，由以上公式即可以推导出双层土壤电阻率条件下的地网接地电阻计算公式简化为：

公式（11）

当然，实际工程设计一般遇到类似于9+机位的情况都会采取换土的实际工艺进行降阻，而换土后接地电阻的理论计算实际也可以按照公式（11）推导出来。

2.2公用接地条件下的交流地网中地线的热稳定性计算

当机组的接地网与N线连接时，地线在不考虑腐蚀的情况时，其最小截面积应满足下式的要求：

公式（12）

式中：

Sg—接地体的最小截面积，mm2；

Ig—流过地线上的预期短路最大电流值，A；

te—短路的等效持续时间，s；

c--接地材料的热稳定系数。

所以，基于以上公式按照750kW机组短路电流800A计算，其共用接地扁钢的最小截面积应满足16mm2，即404mm2的热镀锌扁钢，而1500kW机组公用接地扁钢最小截面应大于505mm2，而如果把扁钢的有效腐蚀率考虑进来以后，接地扁钢的最小截面应不小于606mm2。

2.3地网中地线的最小截面积选择

在考虑地网热稳定型的角度需要考虑接地扁钢的最小截面积，而从防雷角度也需要对接地线的截面积进行计算。由于正常条件下对于交流地网及防雷地网而言是没有大电流出现的，而只有在工频对地短路及雷电流冲击条件下接地扁钢上才可能出现大电流，而在地线上出现电流时接地扁钢必然会产生热量，根据绝热过程写出地线的热平衡方程简化公式：

公式（13）

由于地网在实际的雷电分流中，每根地线上的分流比例可能很小，所以需要从热稳定性及防腐的角度考虑，在沿海及雷击密度较高地区时，接地扁钢的截面积应按照计算值增加20%冗余。

2.4在雷击时相邻机组的雷电流反击

有资料建议风力发电场内的机位应全部连接成为一个超级的大地网，而由于相邻机位的接地电阻无法达到等值的效果，并且根据实际的运行经验，把接地电阻不等的相邻机位的机组接地连接在一起，当受到雷击时，较高接地电阻的机位受到地电位反击的概率较小，较多情况是相邻机位中接地电阻较低的机位。

图2相邻机位的雷击地电流分布

其中，Lt是机组塔筒的电感量，Ls为地网联络线并联的等值电感，i是雷电流，雷电流的波形是10/350s波形，该波形的幅值为I，波头为t，陡度为a，则波头的雷电流I=at，则通过塔筒流入大地的雷电流为：

公式（14）

其中是塔筒的分流系数，即塔筒的电流与雷电流之比，此时机舱的底座上的电位为：

通过塔筒的分流系数可以通过图3的等值电路求出。

即塔筒的分流系数除了与塔筒的电感量Lt，基础环接地的冲击电阻Rch有关外，还与地网间的联络线电感Ls有关，Ls越大则越大，流经塔筒的电流值就越大。在实际环境中，如果2#机组遭雷击，很可能与其相连的1#会因为联络线中电流分量的增加而导致地电位反击造成设备损坏，而3#则会因为流经联络线的冲击电流分量小而免遭雷击。因此也说明了为什么风力发电机组在接地建设时要求独立地网，而不是大面积的联合地网。表面理解大面积联合地网有利于雷电流的散流，而实际情况是在冲击电流和冲击电阻的作用下，常态的扁钢会产生较大的感抗分量，在冲击电流下感抗分量会产生很高的反击电动势。

3.结束语

本文仅通过对接地工程中可能遇到的各种地质条件和工程问题通过理论计算的方式给出了设计模型，工程实际中会出现很多实际的问题，有些是可以通过现有的理论计算解决的，有些则要靠多年的工程经验来解决实际问题。由于风力发电行业没有相关的行业标准，所以在机位接地的设计、施工、验收等环节上还存在一定的不足，相信随着行业逐步的发展，相应的规范也会日臻完善。