沿海山地复杂地质条件下风机接地网的施工管理

（福建省福能新能源有限责任公司 福建莆田 351146）

0 引言

众所周知，风机地网在风机运行中起着重要作用，例如泄放雷电流和工频故障电流、作为保护和工作接地等，因此风机地网的接地电阻值是否长期、稳定的满足要求（如小于4 Ω），是决定风机或风电场安全运行的重要指标。然而沿海地区风电场条件复杂，由于其所处地理位置和地质结构，导致风机所在地的土壤电阻率较高，常规的地网设计和施工方法难以满足风机对接地电阻值的要求，故在地网的设计和施工中往往会采用一些降低地网电阻的方法，如加大外引地网的尺寸和采用降阻技术（回填低电阻率材料）等。

当风机地网采用了降阻技术后，从施工质量管理而言，会发生许多理念、依据、方法、手段上的变化。为了确保风机地网接地电阻值长期、稳定地满足技术要求，保障风机安全生产，提高风机发电的经济效益，有必要对沿海山地复杂条件风机地网施工管理的变化和注意的问题进行分析与探讨。

1 沿海山地复杂地质条件风机地网的特点

1.1 风机处于高雷区环境

为了获得良好的风力发电条件，沿海山地风电场的风机通常建设在山顶或山脊上，地形波状起伏。因海拔较高，且每年6、7、8三个月为雷电多发时期，风电场处在多雷区或强雷区，风机叶片和机组本身都产生引雷效应，增加了风机因雷电侵害而导致生产事故的几率，所以风机接地网的接地电阻值、特别是冲击接地电阻值达标与否直接影响着风电场的安全生产和经济效益。

1.2 土壤电阻率高且差异大

沿海山地的工程地质主要由表层土壤薄层和全风化、强风化岩体所构成，而下层主要由中风化到部分弱风化岩石构成，这些岩石的整体的电阻率都比一般的岩石组成要高。场地内地层含大量砂及块石、孤石，不同的片区甚至同一片区不同位置的岩石结构都不同，地质结构千差万别，土壤的电阻率高低不同，土壤电阻率在不同的方位会有较大差异。

1.3 土壤的腐蚀性高

由于风机建设在沿海的山顶或山脊上，海洋气候会导致空气和雨水中的含盐量较高，对接地材料（如钢材）会有较强的腐蚀性，从而降低风机地网的使用寿命。

1.4 风机地网的物理尺寸较大

风机地网通常由基础环形地网和外引地网组成 （如图1所示）。由于所处地域的土壤电阻率较高（通常为几千甚至上万Ω·m），为了实现风机地网工频接地电阻小于4 Ω的要求，在地网设计和施工中往往会采用增加外引水平地网长度的方法来降低地网的工频接地电阻电阻值。由于外引水平地网较长（通常为几十至几百米），导致风机地网的最大物理尺寸（如图1中的D）可达几百米，尺寸较大。

2 地网的降阻原理

2.1 地网接地电阻计算

地网通常是由环形、垂直和水平接地极构成，从《电力系统接地技术》[1]和《交流电气装置的接地设计规范》[2]中可知，各种接地极的电阻值计算公式如下：

（1）垂直接地极

式中：R为垂直接地极的接地电阻值，Ω；ρ为土壤电阻率，Ω·m；L为垂直接地极的长度，m；d为垂直接地极的直径，m。如图2所示。

（2）水平接地极

式中：R为水平接地极的接地电阻值，Ω；ρ为土壤电阻率，Ω·m；L为水平接地极的长度，m；d为水平接地极的直径，m；h为水平接的埋深，m；A为形状系数，可查表得到。如图3所示。

（3）环形接地极

式中：R为环形接地极的接地电阻值，Ω；ρ为土壤电阻率，Ω·m；S 为环形地极的（占地）面积，m2。

（4）地网

当地网是由垂直、水平和环形接地极组成，并且它们的接地电阻分别记为R1、R2和R3时，地网的接地电阻R总的计算公式为：

式中：η为利用系数，可根据各接地极间的组合形状查表得到。

2.2 降阻原理及接地电阻计算

2.2.1 降阻原理

一般来讲，接地极（或装置）的接地电阻主要由接地极与土壤的接触电阻RC和土壤的散流电阻RD组成，即：

当接地极的表面积有限、土壤的颗粒较大（呈点接触）时，土壤与接地极的接触面积是有限的且远小于接地极表面积的，土壤与接地极间的接触电阻会很大，散流会很困难，接地电阻也就会很大。

分析式（1）、（2）和（3），我们可以看出，接地电阻的大小，与接地极的大小（长度、直径、面积）成负相关，与土壤电阻率成正相关，所以下列方法可以降低接地电阻：

（1）增大接地极的几何尺寸；

（2）降低接地极附近的土壤电阻率；常用方法是在接地极附近施加颗粒细腻、电阻率较低回填材料，以达到降低散流电阻或接地电阻值的目的。

2.2.2 采用降阻技术的接地极接地电阻计算

《配电线路雷电防护》[1]中给出采用建筑技术接地极的接地电阻计算公式：

（1）垂直接地极

式中：ρ为土壤电阻率，Ω·m；ρ1为回填的低电阻率材料区域的土壤电阻率，Ω·m；L为垂直接地极的长度，m；d为垂直接地极的直径，m；d1为回填的低电阻率材料区域的直径（或等效直径），m。如图4所示。

当 d<

（2）水平接地极

式中：R为水平接地极的接地电阻值，Ω；ρ为土壤电阻率，Ω·m；ρ1为回填的低电阻率材料区域的土壤电阻率，Ω·m；L为水平接地极的长度，m；d为水平接地极的直径，m；d1为水平接地极附近回填的低电阻率材料区域的直径 （或等效直径），m；h为水平接的埋深，m。如图5所示。

当 d<

对比式（1）、（7）和式（2）、（9）可发现，采用降阻技术后，接地极的接地电阻计算基本相同，只是将原有的接地极直径d变为了d1，即增大了接地极的体积或尺寸。所以说，降阻技术或降阻接地极就是通过增加接地极的尺寸来实现降阻的，而降阻技术与接地极本身的材质（铜、铁、金等）基本无关，仅与回填材料的电阻率、尺寸大小相关。

3 施工管理中应注意的几个问题

采用降阻技术的接地极（或地网）与传统的接地极（或地网）的最大区别在于，在接地极附近回填了低电阻率的材料。伴随着在风机地网设计和施工中采用了降阻技术，采用降阻技术的地网施工中应该特别注意以下5个问题。

3.1 接地极敷设沟槽的尺寸

从式（7）、（9）中可知，决定地网降阻效果的主要因素之一为回填材料的直径（或等效直径），由于施工中是在接地极敷设的回填沟槽中置入低电阻率回填材料，所以在采用降阻技术的接地极（网）施工管理中应特别关注接地极敷设沟槽的开挖尺寸是否达到设计要求，以保证接地电阻能满足设计要求。

3.2 回填材料的土壤电阻率

从降阻原理的分析中可知，只有当回填材料的土壤电阻率ρ1远小于风机所在区域的土壤电阻率ρ时，式（7）和式（9）才成立，所以为了保证施工结果能达到设计、计算的要求，在采用降阻技术的接地极（网）施工管理中应特别关注、检验回填材料的土壤电阻率和颗粒粗细程度是否达到设计要求。

3.3 接地极的使用寿命

一方面在采用技术的接地极（网）的施工中会大量采用低电阻率的回填材料，而为了降低回填材料电阻率，生产企业往往会在回填材料中添加各种酸、碱离子的导电材料（如工业盐等），这些酸、碱离子在雨水的作用下，会对接地极的材料形成强腐蚀作用，从而降低接地极（网）使用寿命；另一方面风机地处沿海山地，海洋性气候导致雨水中含盐量较高，含盐量较高的雨水浸入接地极附近后会加快接地极的腐蚀速度，降低接地极（网）使用寿命。为了保证接地极（网）使用年限，应特别关注3个方面的问题。

（1）接地材料的尺寸与防腐性能。接地材料的腐蚀率是与其材质相关的，并按照每年的腐蚀量来计算的，在相同的腐蚀率下，增大或确保接地极的尺寸是保障其使用寿命的一种途径，所以在接地极（网）的施工管理应特别关注、检验接地极的材质和外形尺寸是否达到设计要求。为了提高接地极的防腐能力和使用寿命，通常在接地极的表面会涂覆防腐层（如钢材的镀锌层），防腐层的厚度也决定了接地极的使用寿命，所以在接地极（网）的施工管理应特别关注、检验接地极涂层的材质和厚度尺寸是否达到设计要求。

（2）焊接与防腐处理工艺。接地极的焊接和防腐处理工艺原本就是地网施工管理中应严格把控的项目，它是决定地网使用寿命的关键一环。由于低电阻率回填材料的应用，接地极处在了一个腐蚀更高的环境之中，要加强对焊接和防腐施工的质量管理。

（3）低电阻率材料的pH值。在低电阻率回填料的生产中，企业往往会在材料中添加一些酸、碱离子，增加回填料的腐蚀性程度。为了保障接地极（网）的使用寿命，施工管理中应该用pH试纸测试低电阻率回填材料的酸、碱度，确保达到设计要求，如设计无要求时，应拒绝使用pH值大于8或小于6的低电阻率回填材料。

3.4 风机地网接地电阻值的测量

检验风机地网接地电阻是否能满足运行要求的唯一办法就是测量，接地电阻的测量法参考 《电力系统接地技术》[1]和《接地装置特性参数测量导则》[4]。

风机地网的理想测试布线方式如图6所示，蓝色圆点分别表示电流极C和电压极P的位置，地网的测试点为G；C至G间连线记为电流测试线，其长度为dGC；P至G间连线记为电压测试线，其长度为dGP；P至C间距离记为dPC；D为地网的最大物理尺寸；电流测试线和电压测试线的夹角为30°；dGC和dGP长度均为2D。

然而由于山区的风机和道路多建于山顶或山脊之上，道路两边通常为峭壁或陡坡，所以在道路两边布置测试线的方法难以实施，从而通常只能采用直线测量法来测量，并沿道路来敷设测试线。

当在山区风机地网采用直线法来测量接地电阻时，常常会发生以下几个问题，值得大家关注并在管理工作中予以避免或纠正。

（1）采用固定长度的电流和电压测试导线。现场测量中测试人员用接地测试仪所配置的固定长度测试导线 （如电流线长度/电压线长度分别为40/20 m、60/30 m或100/50 m等）来对不同的风机地网进行测试（如图7所示），采用直线法测量的前提条件是C（电流极）、P（电压极）和G（地网中心测试点）三点应成一线，且满足以下公式：

由此可见，当山区风机地网的外引地网较大 （50 m以上）时，地网D会大于100 m，从而采用固定长度测试线的测量方法是不满足式（10）的要求（图6），其测量结果是不可信和无效的。

（2）用测试导线的长度替代dGC和dGP.现场测量中，测试人员查看了地网竣工图，也计算得知了风机地网的最大物理尺寸D，但却用电流极测试导线的长度为4.5D和电压极测试导线长度为0.618倍电流极测试导线长度的办法来进行布线测量，如图8所示。由于山路弯曲的原因，此时dGC远小于电流极测试线的长度，即不能满足式（10）的要求；同时dGC和dGP也难以保证式（11）的关系；故这种测量方法是不满足技术要求的，其测试结果是不可信和无效的。

（3）电流极与电压极的测试导线间距太小。现场测试中，检测人员为了放线和收线的方便，往往会将电流极和电压极的测试线沿道路的一边布置，导致两导线的间距很小，电流导线和电压导线间会形成互感效应，从而影响测试结果的准确性。通常两线的间距越小或并行的距离越长，测量结果的准确性就越差，为了降低这种测量误差，在管理中可要求测试人员将电流和电压测试导线分别敷设在道路的两边，并且尽量保证其间距在5 m以上。

（4）不完全满足直线法布线要求时的解决办法。现实中，在山区风机地网周边寻找到完全满足直线法要求的布线方案是很难的，所以在可以在满足式（10）和式（11）的前提下适当放宽“三点成一线”条件来设计布线方案（如图8），通过测量和修正计算得出真实的风机地网接地电阻值。修正公式如下：

式中：R为风机地网接地电阻值，Ω；R′为地网接地电阻的测量值，Ω。

3.5 风机地网的运行维护

由于风机地网在施工中采用了降阻技术，即在接地极附近回填料一定量的低电阻率材料，增加了接地极的尺寸，降低了接地极（网）的接地电阻值；随着时间的推移以及地质地貌的变化，回填材料中的导电粒子会因雨水的不断冲释而逐渐流失，电阻率会逐渐升高，从而有可能会导致风机地网的接地电阻值不能满足4 Ω的要求。

为了保证风机的运行安全，每年对风机地网进行一次地网接地电阻值和导通性的测试，每次检测都应进行登记备查，发现不满足电阻率标准的风机应及时上报生产部门安排专业施工单位进行修复，避免风机设备安全运行遭受雷击影响。

4 结语

在沿海山地复杂地质条件风电场建设中，虽然因地理、地质和气候条件的原因，致使风机地网的设计、施工与内陆地区或潮间带等其它地区存在较大的变化，但是只要能针对风机地网设计、施工的特殊性，找出解决影响施工质量关键问题，分析、制定出应对措施予以实施，相信风机地网质量是可控且满足设计和生产要求的，从而保证风电场防雷措施和安全运行。