威宁雪山风电项目风机基础接地设计

张淑霞, 曾 勇, 吴安坤, 刘 芸

(贵州省气象灾害防御技术中心, 贵州 贵阳 550002)



威宁雪山风电项目风机基础接地设计

张淑霞, 曾 勇, 吴安坤, 刘 芸

(贵州省气象灾害防御技术中心, 贵州 贵阳 550002)

结合威宁雪山风电项目,介绍了风机基础接地系统的结构设计,根据标准DL 621—1997《交流电气装置的接地》,计算了风机接地电阻,采用深井接地技术和外延网来降低风机接地电阻,并进行了接地装置的防腐设计,以减少风机因遭受雷击而造成的经济损失。

风机; 基础接地设计; 接地电阻; 地表电位

0 引 言

雷电放电作为一种强大自然力的爆发,会给地面诸多设施带来灾害。矗立在风电场中的风电机组结构属于典型的高结构体,由于机组高耸突出的机身和桨叶顶端的引雷作用,从雷电放电选择性的角度来看,机组遭受雷击的概率较大[1]。一旦击中,将造成严重的经济损失。

1 项目概况

2015年5月12日23:00左右,贵州威宁大海子风电场8号风机一叶片遭受直击雷击,直击雷电流进入风机内,将高压电缆、控制信号线路光纤击毁,地面高压电缆、室内高压避雷器炸毁,避雷器爆炸时冲击气浪将室壁冲裂,造成直接经济损失50万元。

桨叶防雷装置主要由接闪器和引下导体组成。通常将接闪器做成圆盘形状,将其镶嵌在桨叶的叶尖部,盘面与叶面平齐,接闪器与设置在桨叶本体内部,并跨接桨叶全长的引下导体做电气连接。当桨叶叶尖收到雷击时,雷电流由接闪器导入引下导体,引下导体再将雷电流引入叶根部轮毂、低速轴和塔筒等,最终泄入大地。

接地是保障风电机组和风电场电气安全与人身安全的必要措施。从防雷的角度看,无论是桨叶叶尖的接闪器还是电气系统的电涌保护器,都需要通过接地把雷电流传导入地。没有良好的接地装置,机组各部分加装的防雷设施就不能发挥应有的保护作用。接地装置的性能直接决定机组的防雷可靠性[1]。

2 设计特点

有些接地装置其接地电阻值已经达到设计要求,但设备还是遭受到雷击,这是因其散流能力不足造成的,雷电流不能通过接地装置快速泄放出去,从而造成反击[2]。

依据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》第五章第四节:接地装置标准条文的要求,以及GB 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》,参考99D 501-1、99(03)D501-1《建筑物防雷设施安装》设计图集,结合项目的实际情况,在满足接地电阻要求的前提下,提高接地装置的散流能力,加强防腐效果,从而提高工作可靠性和延长使用寿命。

3 风电场接地系统结构设计

根据风机接地工作区土壤电阻率,设计采用的地网结构如图1所示。

图1 设计采用的风机地网结构

威宁雪山风电项目的每台风机基本为周围最高处,遭受直接雷击的概率较大[2]。为了能使风机在雷击瞬间,雷电流通过水平接地极、垂直接地极迅速泄放,并且使风机各个方向的水平接地极能够在雷电流泄放的瞬间同时连通,达到相等的电位,在结构上采用如下设计:

(1) 为了减少基底的正向电压,并将故障电流转移到外部地面,设计沿混凝土基础外侧敷设一圈均压环,作为风力发电机组的外环形接地网。

(2) 因风电场所在区域冬季寒冷而漫长,为了保证接地电阻值稳定,采用深井接地极,可以避开冻土层不受季节气候的影响;接地井由于增加接地极的直径(深井接地体加上回填低电阻率材料)而能明显降低总体接地电阻,同时增加电极的通流。

(3) 箱式变压器地网与风机地网连接,同时箱式变压器的避雷器在雷闪过程中会向大地泄放雷电流,因此箱式变压器地网与风机地网连接线不小于15 m。

(4) 风机及箱式变压器接地系统通过引外线、垂直接地体及深井接地装置,共同实现工频接地电阻小于4 Ω的技术指标。

(5) 防腐方面采用以下两种措施:① 回填时采用天然防腐导电粘土包裹接地极,隔绝土壤,阻止了土壤中的化学腐蚀;② 采用电解质防腐接地包,防止接地体受电化学腐蚀。

4 接地电阻的计算

接地电阻的计算依据是DL 621—1997《交流电气装置的接地》[3],水平接地体也按照该标准计算。

不同形状水平接地极的接地电阻为

(1)

式中:ρ——土壤电阻率,Ω·m;L——水平接地极的总长度,m;h——水平接地极的埋设深度,m;d——水平接地极的直径或等效直径,m;A——水平接地极的形状系数。

水平接地极的形状系数如表1所示。

表1 水平接地极的形状系数A

水平接地极形状形状系数A水平接地极形状形状系数A-0．601．00-0．182．1903．030．484．710．895．65

当L=60 m、d=0.06 m、h=1.0 m、A=-0.6时,60 m水平接地极的电阻Rh=0.034ρ。

按照DL 621—1997的计算方法,垂直接地极的接地电阻为

(2)

式中:ρ——土壤电阻率,Ω·m;L——垂直接地极的长度,m;d——接地极用圆钢时圆钢的直径,m。

复合接地网的接地电阻RN按照式(3)～式(6)给出的计算方法:

式中:RN——任意形状边缘闭合接地网的接地电阻,Ω;

Rg——等效(即等面积、等水平接地极总长度)方形接地网的接地电阻,Ω;

S——接地网的总面积,m2;

d——水平接地极的直径或等效直径,m;

A——水平接地极的埋设深度,m;

Lo——接地网的外缘边线总长度,m;

L——水平接地极的总长度,m。

拟建风场区域勘测的土壤电阻率在2 000～3 000 Ω·m之间,计算取其均值2 500 Ω·m,水平采用-60 mm×6 mm热镀锌扁钢,垂直采用深井接地技术,主材为φ50 mm热镀锌钢管,经计算Rh=14.70 Ω,Rv=3.75 Ω,RN=3.31 Ω,满足R≤4 Ω的要求。

5 接地系统设计

5.1 深井接地技术降阻

深井接地技术能有效地降低高土壤电阻率地区接地系统的接地电阻。土壤的电阻率通常沿纵深和横向分布都是不均匀的。一般接近地面的电阻率相对要高些,且不稳定,随季节气候的变化而变化,土壤越深越稳定。特别是在高土壤电阻率及不能用常规方法埋设接地装置的地区,采用长垂直接地极或深井接地与主地网相连是一种有效降低接地电阻的方法。在有地下含水层的地方,接地极可能深入穿透水层,降阻效果更好。深井接地不受气候、季节条件的影响,由于增加接地极的直径(深井接地体加上回填低电阻率材料),能明显降低总体接地电阻。如果接地井与地下水层相连,则降低接地电阻的季节变化,同时增加电极的通流,不会使电极过热或接地井中的回填材料变干。深井接地必须配合使用低电阻率材料,才能获得较低的接地电阻。回填材料选用天然防腐导电黏土和水组成的泥浆。由于回填材料能从周围环境中吸收湿气,接地井不需要任何维护也不会变干。深井接地体能突破浅层的高电阻率屏障,充分利用深层土壤相对低电阻率区域不受冬季冻土及夏季干旱的影响。

5.2 外引网降阻

在风电场的建设中,风机基础占地和通往各个风机的道路有征地费用。如果合理地利用风场的道路做外引网,不但解决了征地投资问题,而且增大接地网面积,从而降低风机接地电阻。接地网及外延线如图2所示。

图2 接地网及外延线

在原地网基础上,沿g、e、f方向布放外延线,将地网半径从8 m扩大到70 m,选择沿e、f、g计算该点地表电位。地表电位沿外延地线分布如图3所示。

通过以上分析,可以得到以下结论:

(1) 在土壤电阻率高的地区,铺设外引网是降低接地电阻的有效方法,比单纯扩大接地网面积作用大得多。

(2) 在外引网附近的垂直接地极和深井接地极,也是降低接地电阻和附近地电位的有效方法之一,将远处的地电位引到风机附近,改善了风机附近的土壤性能,起到了很好的降阻效果。

5.3 接地装置的防腐设计

埋入地下的接地装置受周围土壤介质的化学作用和电化学作用而产生破坏,称为土壤腐蚀。每年都有大量的接地网由于土壤腐蚀而遭到破坏,甚至报废,电气设备因接地体被腐蚀而遭受雷击的事件时有发生,给电力系统的正常运行及作业人员的人身安全造成了很大的危害。因此,接地装置的防腐设计很重要。

图3 地表电位沿外延地线分布

根据土壤腐蚀的特性,采取两种防腐手段:

(1) 天然防腐导电粘土包裹接地极,隔绝土壤,阻止了土壤中的化学腐蚀。

(2) 电解质防腐接地包,可以不断向电极周围的土壤补充导电离子,防止接地体受电化学腐蚀,改善周围土壤电阻率。包内材料以强吸水性、强吸附力和离子交换能力强的物理化学物质为主,实现电极单元与周围土壤的紧密结合,大大降低接触电阻,且流动性和渗透性好,增大与土壤的接触面积,从而增大泄流面积。

6 结 语

贵州山地环境的土壤电阻率极高,给风机基础接地工程带来很大困难,应根据实际情况和理论计算综合考虑,以减少风机因遭受雷击而造成的经济损失。

[1] 宋国强,张新燕.风力发电场防雷接地技术[J].电力学报,2012,27(6):564-565.

[2] 杨仲江,李玉照,李慧.风力发电场防雷接地技术[J].可再生能源,2010,28(5):104-107.

[3] 交流电气装置的接地:DL/T 621—1997[S].

Fan Foundation Grounding Design of Weining Snow Mountain Wind Power Project in Guizhou Province

ZHANG Shuxia, ZENG Yong, WU Ankun, LIU Yun

(Guizhou Meteorological Disaster Prevention Technology Center, Guizhou 550002, China)

Combining by Weining snow mountain wind power project in Guizhou Province,this paper introduced the structure design of fan foundation gounding system.According to DL 621—1997,the grounding resistance of fan was calculated.The grounding resistance of fan was reduced by use of the deep well grounding technology and extension net,and the anticorrosion design of the grounding device was carried,in order to reduce the economic loss caused by lightning strike.

fan; foundation grounding design；grounding resistance; ground potential

张淑霞(1987—),女,工程师,从事气象灾害防御技术方面的工作。

TU 856

B

1674-8417(2016)11-0046-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.11.013

2016-09-26

曾 勇(1986—),男,从事雷电防护与接地技术方面的工作。

吴安坤(1986—),男,工程师,从事雷电防护方面的工作。