季节性冻土条件下的风电机组接地工程改造

文 | 于建国，邢志刚，尹欣，庄严

季节性冻土条件下的风电机组接地工程改造

文 | 于建国，邢志刚，尹欣，庄严

冻土和对土壤电阻率的影响

一、冻土的分类及在中国的分布情况

冻土是指土壤温度低于0℃并出现冻结现象，地表具多边形土或石环等冻融蠕动形态特征的土壤（图1）。本土纲相当于美国土壤系统分类的新成土纲（Entisol）、始成土纲（Inceptisol）、有机土纲（Histosol），联合国土壤分类的始成土（Cambisols）、潜育土（Gleysols）、粗骨土（Regosols）、有机土，本土纲包括的土类有冰沼土（冰潜育土）和冻漠土。中国冻土可分为季节冻土和多年冻土（有资料分类为浅层冻土和深层冻土）。季节冻土占中国领土面积一半以上，其南界西从云南章凤，向东经昆明、贵阳，绕四川盆地北缘，到长沙、安庆、杭州一带。季节冻结深度在黑龙江省南部、内蒙古东北部、吉林省西北部可超过3米,往南随纬度降低而减少。多年冻土分布在东北和大、小兴安岭，西部阿尔泰山、天山、祁连山及青藏高原等地， 总面积为全国领土面积的1/5。有人提出中国冻土分为多年冻土（2年以上）、 季节冻土（1月以上）、瞬时冻土（小于1月），其区划前提分别为年均地面温度、最低月均地面温度、极端最低地面温度等于或低于0℃。 瞬时冻土南界大致与北回归线一致。

张家口沽源地区处于冀北高原末端，地面的冻结日期在10月中旬，冻土期在190天左右，地面冻土的解冻期一般在4月下旬至5月初。赤沽风电场处于坝上高原末端，每年在10月初降初雪，10月中旬进入气象意义的冬季；多年平均降雪厚度在5cm-9cm，冻土平均深度0.8m，最深深度1.2m。

二、冻土与土壤电阻率的关系

相关资料表明多年冻土的ρ极高，可达没有冻土时的几十倍。冻土对接地电阻有非常明显的影响,而造成这种影响的因素很多，包括从土壤的结构、类型、当地的气温、降水量及土壤中的有机质含量等。而土壤的含水量及土壤的温度是影响土壤电阻率的主要因素。表1以湿度15.2%的沙土为例说明了温度与土壤电阻率的关系。

通过工程计算，同样可以发现冻土环境的工程成本高于一般环境下的工程成本，并且可能是一般工程造价的几倍。以冻土环境设计5Ω大型电流回流接地系统为例，通过接地计算公式：

其中：ρ：土壤电阻率（Ωm）；S：接地网面积（m2）；R：接地电阻（Ω）。

如土壤沙率15.2%左右的浅层冻土的土壤电阻率取3300Ωm时，使用常规金属接地材料，敷设的地网面积则需要达到108900 m2。这如此大的地网面积无非需要大量经济成本，而且接地电阻的年平均变化率一般在15%左右，增加了地网的维护成本。

降低冻土对接地电阻影响的方法

低温冻土对接地工程的影响不仅表现在土壤的电阻率突变问题，还在冻土的物理特性发生变化时，冻土的膨胀造成的机械力也会对接地系统造成病害，严重的破坏接地系统的电气连续性，如焊接面断裂问题。因此在接地设计的过程中不仅需要考虑土壤电阻率的变化，更要考虑不同层面的土壤对接地工程的影响，因此，在季节性冻土环境中需要采用合适的接地施工方案。

一、传统接地工艺对冻土环境的工程解决方案

目前对于浅层冻土地区的接地方法主要有：

（1）深井法：增加接地装置的埋设深度，减小因冻土土壤电阻率升高而影响接地电阻的因素。

（2）换土法：改变土壤的含水率，使土壤在一定温度范围内不会形成冻土。

（3）预埋加热装置：防止冻土形成的机械力破坏接地系统。

（4）加盐：改变土壤性质或者采用铜材作为接地材料。

在正常土壤环境中，对接地电阻R有较大影响的两个参数分别是：土壤电阻率ρ和介电常数ε，ρ直接反映土壤的电阻特性，对接地电阻R有直接影响，与R成正比，即土壤电阻率越高土壤电阻越大；而ε则反映土壤的电容特性，它与R成反比，三者的表征公式为：

其中： R：接地电阻；ρ：土壤电阻率；ε：介电常数。

而实际工程中的接地电阻的组成是由几个部分组成：

（1）接闪装置到接地体之间连接线上的电阻。

（2）接地装置自身的内阻。

（3）接地装置与土壤之间的接触电阻。

（4）雷电流通过接地体向土壤散流时土壤呈现动态电阻。

雷电流入地的整个过程中能起到关键作用的环节是如何降低接地体与土壤之间有电流通过时的动态电阻。外部土壤环境对接地电流的散流有着重要的意义，因此通过增加接地装置的等效散流面积也是一种有效的技术方案。

在对赤沽风电场线路铁塔接地改造前期进行地质勘查时发现，赤沽风电场所处地区地质以风化岩和砂岩为主，地表1.5m深度以风化岩和碎石为主。在制定接地改造的方案过程中考虑到原有地网采用扩大接地面积的措施，但未考虑地区季节性冻土对接地材料带来的冻害问题。因此，经过多方论证最终的接地改造方案拟定采用深井法作为主要技改方案。

采用深井法的主要依据和考虑在于：

首先，赤沽地区的冻土层厚度在0.8m以上，如果按照原有接地方案继续采用扩大地网面积的技术路线，会涉及到重新征地、严重破坏地表植被的问题；同时，扩大地网面积的方案中其水平接地体深度需要在冻土层以下，而对于山区的沙石条件0.8m以下也都是碎石，因此需要采用大量的回填土进行换土作业，工程量巨大。

表1 温度与土壤电阻率的关系

其次，考虑到在现有地网覆盖面内寻找适合的点位采用深井法，以增加垂直深度的工艺方案降低接地电阻，不仅压缩了作业面，同时不涉及工程征地；在工艺细节上可以将垂直接地体的上端控制在冻土层以下，降低冻土对接地工程的冻害影响。

二、深井法分层土壤电阻率的计算

（一）双层土壤中的半球接地体

如图2所示：埋在双层土壤结构的地表的半径为r的半球接地体及其镜像，上层土壤的电阻率为ρ1，下层土壤的电阻率为ρ2，上层土壤厚度为h。如果上层土壤厚度h>2r时，镜像电流可近似为一个集中在球心的点电流源，如果半球电极的电位用其中心点的电位表示，则利用叠加原理可得到半球接地体的电位为：

根据接地电阻的定义可得到双层土壤中埋在地表面的半球接地体的接地电阻R为：

从式（4）我们可以看出，第一项是电阻率为ρ1的均匀土壤时接地装置的接地电阻，即ρ1＝ρ2，K＝0时的电阻。第二项为下层土壤引入的接地电阻的附加量△R。

当下层土壤电阻率ρ2比上层土壤电阻率ρ1低时，K<0，式（3）中的附加量为负，即下层土壤电阻率低于上层土壤电阻率时，半球接地体的接地电阻低于电阻率为上层土壤电阻率的均匀土壤中的半球接地体的接地电阻。

当下层土壤电阻率ρ2高于上层土壤电阻率ρ1时，K>0，式（3）中的附加量为正，即引入高电阻率的下层土壤后，接地电阻将增加。K值越大，接地电阻越高。

分析表明，下层土壤的影响在K>0时比K<0时显著，因此当K值较大，即下层土壤的电阻率比上层土壤电阻率高很多倍时，用增大接地体尺寸的方法来降低接地电阻的效果是不显著的。

（二） 双层土壤中垂直接地体的接地电阻

当垂直接地体不穿入下层土壤时，可以如图3所示设置镜像。任一对相距2ih的镜像2KiI的电流密度δi为：

如果采用中点电位法，取重点O的电位代表整个接地体的电位，则该对镜像与接地体间的互电阻Ri为：

接地体的接地电阻R为电阻率，等于上层土壤电阻率的均匀土壤中的接地电阻与由于双层土壤引入的镜像对产生的互电阻之和：

当接地体较长，或上层土壤较薄，接地体穿入下层土壤时，上层和下层不同的土壤电阻率将导致接地体在上层土壤中的部分和下层土壤中的部分的电流密度不同。比较合理的假设是认为接地体散流的电流密度与土壤电阻率成反比。接地体在上层中部分的电流密度δ1和下层中部分的电流密度δ2可以由如下两式求得：

求得的接地体在两层土壤中部分的电流密度分别为：

分别对接地体处于上层土壤中的部分和处于下层土壤中的部分如图3那样设置镜像，可得到接地体穿入下层土壤中时的接地电阻R为：

对于两层土壤中的垂直接地体，唐格Tagg建议采用下式计算其接地电阻：

式（13）没有考虑垂直接地体是否穿入下层土壤的影响。因此，巴拉特耐Blattner对上式进行了修正，提出了考虑垂直接地体长度影响的接地电阻计算公式，当接地体长度L

当接地体长度L>h，即接地体穿入下层时，接地体的接地电阻为：

此为穿透两层土壤的长垂直接地体的接地电阻计算公式，式中：

L：长垂直接地体的长度；

h：上层土壤厚度；

d：长垂直接地体的等效半径；

ρ1、ρ2：上、下层土壤的土壤电阻率；

n：土层数量；

K：任意点的反射系数，其取值可参照下述图解法。

（三）计算两层水平和垂直分层土壤中接地体接地电阻的图解法

在高土壤电阻率地区，土壤一般可分为多层，但对接地装置接地电阻影响较大的往往是上面两层土壤，因此可以只考虑双层土壤对接地电阻的影响。本文前部分分析了两层土壤中垂直接地体接地电阻的计算公式，但计算公式比较复杂，一般需要采用计算机进行分析计算。为了便于工程设计人员的简单分析计算，达瓦利比Dawalibi提出了一种比较简单的计算方法。

对于埋在双层水平分层土壤中的垂直接地体（图4），如果垂直接地体较短，只穿入上层土壤时，接地电阻R计算公式为：

式（16）中R1为土壤电阻率等于上层土壤电阻率的均匀土壤中垂直接地体的接地电阻，它可以采用前面介绍的公式进行计算，△R为考虑双层土壤时引入的接地电阻变量：

下层土壤电阻率大于上层土壤电阻率时△R为增加量，下层土壤电阻率小于上层土壤电阻率时△R为减小量；F为双层土壤对接地电阻的影响系数，它与土壤的反射系数K及上层土壤厚度h与垂直接地体长度L的比值h/L有关，可以从图5中查出。

但垂直接地体穿入下层土壤中时，接地电阻R为：

式（18）中△Ra为双层土壤引入的接地电阻变量。

结束语

在存在季节性冻土的地区进行风电场防雷接地施工，对于传统的以扩大地网面积的施工方案很难达到作业层在冻土层以下；而按照国家防雷接地相关标准一般情况水平接地体的埋设深度都是0.8m以下，有部分标准明确了需要在冻土层以下，但是在施工过程中基本按照0.8m的标准执行；而这种深度的接地隐蔽工程往往受到冻胀灾害的破坏，由于隐蔽工程在发生冻胀灾害后很难实现监测与检查，因此传统的水平接地体如：扁铁、角钢虽然满足国标要求的2倍焊接面积，但受到冻胀灾害的影响，则会造成焊接面开焊、断裂的问题。在机组接地改造过程中，通过对原有接地系统的检查中发现部分机组的接地扁钢与垂直接地体焊接面已经出现开焊断裂问题。因此，在采用深井发接地施工的过程中，需要注意焊接面的施工工艺和抗冻胀灾害的预防性工艺。

（作者单位：于建国，邢志刚：国华（沽源）风电有限公司；尹欣：哈尔滨世纪祥云雷电科技股份有限公司；庄严：全国风力机械标准化技术委员会）