前言：隨著風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展，由接地問題導(dǎo)致出現(xiàn)的各種運(yùn)行問題逐步開始暴露。由于早期風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的接地沒有相應(yīng)的行業(yè)和國家標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的接地標(biāo)準(zhǔn)較為混亂，有工程參照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也有參照電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并且接地材料的選擇也存在問題。隨著多年的運(yùn)行，目前國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組較大數(shù)量的風(fēng)場機(jī)組運(yùn)行在高接地電阻狀態(tài)。本文僅對接地的工程設(shè)計提出自己的一些看法。

1．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的接地特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的接地主要分為電源共用接地和防雷接地兩個部分，其中電源共用接地主要是由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的供配電及傳輸制式?jīng)Q定的。目前，大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電電機(jī)組的低壓端配電采用TN-C制式即三相四線系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)變流器輸出與廂式變電站之間是三根火線一根N線，并且N線與基礎(chǔ)鋼筋籠連接，實(shí)際成為NPE線。而防雷接地即包括了基礎(chǔ)的部分，也包括了基礎(chǔ)之外的增加的地網(wǎng)的部分。一般的設(shè)計是在基礎(chǔ)上均布三條60×6mm的接地扁鋼作為防雷地線與基礎(chǔ)環(huán)連接，實(shí)際上將是作為電源N線地網(wǎng)的輔助和基礎(chǔ)地網(wǎng)面積的增加。從防雷角度而言是增加了地網(wǎng)面積，而在土壤電阻率一定的前提下，降低了工頻接地電阻。

2.接地工程設(shè)計

2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)位的接地電阻計算

由于機(jī)位所處的地質(zhì)條件不同，所處的土壤電阻率也不同，所以全場機(jī)位的接地電阻設(shè)計應(yīng)具備差異性，如圖1中顯示了不同機(jī)位的土壤電阻率，可以看出同一機(jī)位不同深度層面的土壤電阻率有著較大變化。

圖1中可以看出9+機(jī)位的土壤電阻率的典型值分布，該機(jī)位表層土壤電阻率約為2300Ω·m；中層的土壤電阻率達(dá)到了3500Ω·m；而到了深層又降低到800Ω·m左右，對于該機(jī)位的接地電阻設(shè)計應(yīng)采用不均勻土壤電阻率的接地公式計算。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件具有兩層電阻率結(jié)構(gòu)時，其接地電阻為：

公式（1）

用公式（1）與均勻電阻率的R進(jìn)行比較，可計算等值電阻率為：

其中：

由于實(shí)際工程計算時上下兩層土壤的電阻率存在變化，且范圍較大不便于進(jìn)行回歸，為此在計算時引入一個系數(shù)K，使等值土壤電阻率

公式（4）

這樣可以把變化率較大的轉(zhuǎn)換在0和1之間的K值，當(dāng)K=0時，

有，K=1時，，因此對的回歸可以簡化為對K值的回歸。

實(shí)際上在雙層地質(zhì)條件下水平地網(wǎng)的K值主要與兩層地網(wǎng)中上層土壤的電阻率、下層土壤電阻率、上層土壤的厚度S、地網(wǎng)面積A及地網(wǎng)網(wǎng)格的密度M等多個因素的影響，可以表達(dá)為：

K=K0+Km公式（5）

Km是網(wǎng)格數(shù)m的函數(shù)，由Kmn和KmA組成，由以上公式即可以推導(dǎo)出雙層土壤電阻率條件下的地網(wǎng)接地電阻計算公式簡化為：

公式（11）

當(dāng)然，實(shí)際工程設(shè)計一般遇到類似于9+機(jī)位的情況都會采取換土的實(shí)際工藝進(jìn)行降阻，而換土后接地電阻的理論計算實(shí)際也可以按照公式（11）推導(dǎo)出來。

2.2公用接地條件下的交流地網(wǎng)中地線的熱穩(wěn)定性計算

當(dāng)機(jī)組的接地網(wǎng)與N線連接時，地線在不考慮腐蝕的情況時，其最小截面積應(yīng)滿足下式的要求：

公式（12）

式中：

Sg—接地體的最小截面積，mm2；

Ig—流過地線上的預(yù)期短路最大電流值，A；

te—短路的等效持續(xù)時間，s；

c--接地材料的熱穩(wěn)定系數(shù)。

所以，基于以上公式按照750kW機(jī)組短路電流800A計算，其共用接地扁鋼的最小截面積應(yīng)滿足16mm2，即404mm2的熱鍍鋅扁鋼，而1500kW機(jī)組公用接地扁鋼最小截面應(yīng)大于505mm2，而如果把扁鋼的有效腐蝕率考慮進(jìn)來以后，接地扁鋼的最小截面應(yīng)不小于606mm2。

2.3地網(wǎng)中地線的最小截面積選擇

在考慮地網(wǎng)熱穩(wěn)定型的角度需要考慮接地扁鋼的最小截面積，而從防雷角度也需要對接地線的截面積進(jìn)行計算。由于正常條件下對于交流地網(wǎng)及防雷地網(wǎng)而言是沒有大電流出現(xiàn)的，而只有在工頻對地短路及雷電流沖擊條件下接地扁鋼上才可能出現(xiàn)大電流，而在地線上出現(xiàn)電流時接地扁鋼必然會產(chǎn)生熱量，根據(jù)絕熱過程寫出地線的熱平衡方程簡化公式：

公式（13）

由于地網(wǎng)在實(shí)際的雷電分流中，每根地線上的分流比例可能很小，所以需要從熱穩(wěn)定性及防腐的角度考慮，在沿海及雷擊密度較高地區(qū)時，接地扁鋼的截面積應(yīng)按照計算值增加20%冗余。

2.4在雷擊時相鄰機(jī)組的雷電流反擊

有資料建議風(fēng)力發(fā)電場內(nèi)的機(jī)位應(yīng)全部連接成為一個超級的大地網(wǎng)，而由于相鄰機(jī)位的接地電阻無法達(dá)到等值的效果，并且根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，把接地電阻不等的相鄰機(jī)位的機(jī)組接地連接在一起，當(dāng)受到雷擊時，較高接地電阻的機(jī)位受到地電位反擊的概率較小，較多情況是相鄰機(jī)位中接地電阻較低的機(jī)位。

圖2相鄰機(jī)位的雷擊地電流分布

其中，Lt是機(jī)組塔筒的電感量，Ls為地網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)的等值電感，i是雷電流，雷電流的波形是10/350s波形，該波形的幅值為I，波頭為t，陡度為a，則波頭的雷電流I=at，則通過塔筒流入大地的雷電流為：

公式（14）

其中是塔筒的分流系數(shù)，即塔筒的電流與雷電流之比，此時機(jī)艙的底座上的電位為：

通過塔筒的分流系數(shù)可以通過圖3的等值電路求出。

即塔筒的分流系數(shù)除了與塔筒的電感量Lt，基礎(chǔ)環(huán)接地的沖擊電阻Rch有關(guān)外，還與地網(wǎng)間的聯(lián)絡(luò)線電感Ls有關(guān)，Ls越大則越大，流經(jīng)塔筒的電流值就越大。在實(shí)際環(huán)境中，如果2#機(jī)組遭雷擊，很可能與其相連的1#會因?yàn)槁?lián)絡(luò)線中電流分量的增加而導(dǎo)致地電位反擊造成設(shè)備損壞，而3#則會因?yàn)榱鹘?jīng)聯(lián)絡(luò)線的沖擊電流分量小而免遭雷擊。因此也說明了為什么風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在接地建設(shè)時要求獨(dú)立地網(wǎng)，而不是大面積的聯(lián)合地網(wǎng)。表面理解大面積聯(lián)合地網(wǎng)有利于雷電流的散流，而實(shí)際情況是在沖擊電流和沖擊電阻的作用下，常態(tài)的扁鋼會產(chǎn)生較大的感抗分量，在沖擊電流下感抗分量會產(chǎn)生很高的反擊電動勢。

3.結(jié)束語

本文僅通過對接地工程中可能遇到的各種地質(zhì)條件和工程問題通過理論計算的方式給出了設(shè)計模型，工程實(shí)際中會出現(xiàn)很多實(shí)際的問題，有些是可以通過現(xiàn)有的理論計算解決的，有些則要靠多年的工程經(jīng)驗(yàn)來解決實(shí)際問題。由于風(fēng)力發(fā)電行業(yè)沒有相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以在機(jī)位接地的設(shè)計、施工、驗(yàn)收等環(huán)節(jié)上還存在一定的不足，相信隨著行業(yè)逐步的發(fā)展，相應(yīng)的規(guī)范也會日臻完善。