风力发电场防雷接地工程方案

一、概述

目前，风力发电被称为明日世界的能源。由于它属于可再生能源，为人与自然和谐发展提供了基础。而且不像火电、核电、水电会造成环境问题，所以符合社会可持续发展对能源的要求。所以，风力发电已在我国达到了举足轻重的地位。

然而，风力发电机组是在空旷、自然、外露的环境下工作，不可避免的会遭受到直接雷击。由于现代科学技术的迅猛发展，风力发电机组的单机容量越来越大。主体高度约80米、叶片长度约40米、即最高点高度约为120米的风机，在雷雨天气时极易遭受直接雷击。它是自然界中对风力发电机组安全运行危害最大的一种灾害。雷电释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等。

风机的防雷是一个综合性的防雷工程，防雷设计的到位与否，直接关系到风机在雷雨天气时能否正常工作，并且确保风机内的各种设备不受损害。

本方案针对风力发电机组的防雷接地。

二、地貌及接地电阻要求

风力发电场位于河北张家口地区，风力发电功率为1500kw。土壤电阻率比较高，超过450Ω.m。由于有岩石的存在，造成不同深度的土壤电阻率分布不均匀。风机接地电阻要求做到4欧姆。风机基础占地面积大约14×14平方米，距其10m处有一台箱式变压器，其接地电阻值的要求为4欧姆。

三、接地材料的选择及地网设计

接地是指将风机的外壳与大地连接一起，以便在正常运行、事故接地和遭受雷击的情况下，将其接地点的电位固定在允许范围内，从而保证人身和设备安全。风机的接地系统是风机防雷保护系统中一个关键环节。在地网开挖面积有限、土壤电阻率较高的环境条件下，要能达到上面的技术要求，用传统常规的角钢、扁铁等接地材料进行施工是非常困难的。本方案建议采用新型的接地材料：高效低阻接地极。

下面介绍常规接地材料与新型高效接地模块的使用。

1、常规接地材料

一般来说，水平接地体采用不小于40×4mm 的热镀锌扁钢，垂直接地体采用不小于50×50×5mm的角钢，每根角钢的长度大约2.5-3米。考虑到减少接地体的屏蔽效应，垂直接地体的间距一般为其长度的1.5 至2 倍，即为5－6米。

单根垂直接地体的接地电阻Rg，可按下式计算：

在一定的土壤电阻率下，为达到要求的接地电阻值，通常需要若干根垂直接地体。

根据上式计算，在土壤电阻率为450Ω.M的情况下，接地电阻按4Ω考虑，所需3米长的角钢大约也要60多条。占地面积大约42米×42米。

由此可以看出，以现在的风机地貌、可开挖面积来看，用传统的接地材料想达到接地电阻值的要求是非常困难的。

此外，传统金属接地体的接地电阻随气候(土壤潮湿程度)的变化会发生大幅度的起伏，随着腐蚀的加剧地阻也会不断增大。

2、梅花型高效低阻接地体

四川铭士电子科技有限公司是专业生产防雷设备的单位，其生产的高效低阻接地体是一种以非金属材料为主的接地体，由导电性、稳定性较好的非金属矿物质和电解物质组成，它不含对人体有害和污染水源、土壤、环境的有害物质。其特殊的形状增大了接地体本身的散流面积，减小了接地体与土壤之间的接触电阻，接地电阻值低。其优良的吸湿保湿及改善周围土壤导电特性的能力,使接地电阻不断减小而趋于长期稳定。因具有抗盐、酸、碱腐蚀的能力，使用寿命长达50年。特别适用于沙漠、戈壁、盐碱地、高原和常年冻土带等恶劣地质条件的地区。

梅花型高效低阻接地体的技术指标见下表

序号产品型号外形尺寸mm 质量kg

室温下

电阻率Ω.m

工频

接地电阻Ω

估算参考式

3 MSD-ⅢФ260×1000 52－5

4 ≤1 4 0.11ρ

单根梅花型接地体的接地电阻Rg，可按下式计算：

在一定的土壤电阻率下，为达到要求的接地电阻值，通常需要若干根梅花型接地体。接地体的间距不小于4米。

根据上式计算，在土壤电阻率为450Ω.M的情况下，接地电阻按4Ω考虑，所需梅花型高效低阻接地体25多块。占地面积大约16米×16米。

通过以上计算可以看出，采用梅花型高效低阻接地体，所需数量、占地面积远比传统材料少。

四、技术经济比较

通过以上计算可以看出，采用梅花型高效低阻接地体，所需数量、占地面积远比传统材料少。

1、占地面积

（1）在一般条件下（ρ≤100Ωm）使用金属接地材料，在变电站占地面积内一般均可达到接地电阻要求。

（2）在ρ≥500Ωm时，由公式Rj=0.5ρ/√s可知，此时土壤电阻率ρ为常值，若要降低Rj，只有增大√s，此时占地面积S将急剧增大，表现为外接多个外引地网，征地费用大幅增加，总费用剧增，显然是不可取的解决办法。

若在原场地上大规模换土，更需动用几千至几万方粘土，其总费用更是惊人。

（3）采用低电阻接地模块作垂直接地极时：

“低电阻接地模块”采用了一系列降阻技术。首先降低接地极与土壤之间的表面接触电阻，同时成倍增加了接地体的散流面积。由于接地体本身含有丰富的离子，又具有吸湿保湿特性，采用电子十离子导电的散流方式，大大优于金属的电子导电的散流方式。尤其是在高土壤电阻率时，这种工作方式更是大幅度提高了电流的散流效果。采用低电阻接地模块一般情况下均能在变电站本身占地面积内达到接地电阻要求。

2、两种接地材料的对比

以目前钢铁材料市场的价格，不考虑运输及施工费用，角钢的材料总费用大约是接地模块的1/3~1/2。但角钢的施工面积却是接地模块的7倍，即用角钢的施工费要远远超过高效接地体。因此从总成本上看，采用高效低阻接地体的总成本会略高一些，但其所需的场地却要小的多。

3、腐蚀和寿命问题

由设计手册可知扁钢的腐蚀速度为0.1～0.2mm/年，在酸碱度大的地区腐蚀速度更

快，这样在变电站工作几年后，由于扁钢表面已腐蚀，散流时接触电阻迅速增大，整个地网的接地电阻值将逐渐增大。同时变电站由于工频泄放的问题，进一步加速了扁钢的腐蚀速度。

低电阻接地模块采用的是导电性能优良的非金属材料，金属极芯和富含电解质的材料制成的。外层是非金属材料，金属极芯采用的是不锈钢（可达五十年寿命），抗腐蚀能力极强，腐蚀速度极低，可忽略不计。

4、污染

低电阻接地模块由于材料与工艺的原因，无任何污染，同时又有很强的抗污染抗腐蚀能力。

扁钢则受污染的影响很大。

6、费用

就单个材料而言，低电阻接地模块的费用要高些，但就高土壤电阻率的情况下，工程总费用和全寿命期费用则要明显低于用扁钢的地网。

五、地网施工图