浅谈风电场防雷接地施工技术

蒋剑，汤浩然，周军军，鲍鹏

摘要：防雷接地对于风电场的高效安全运行具有十分重要的意义。本文从风电场雷击与接地系统的概念与意义入手，基于相关标准讨论了设计的总体思路，并阐述了基本的设计与施工流程。并基于工程实践经验，探讨了施工工艺与接地降阻相关工艺。通过对防雷接地系统的电阻率进行分析发现，可选用换土、添加降阻剂、外延接地等相互结合的方法，以在满足降阻需求的同时，提高工作效率。

关键词：风电场，防雷，雷击，接地网，接地电阻

1. 风电场雷击与接地系统

雷击损坏是风力发电机意外停机的最大原因，也是风电场业主提出的最常见的保险索赔。雷击的高风险主要适用于在平坦和升高的位置（陆上），开阔水域和直接暴露于雷电（海上）的平均高度超过一百米的建筑物。

随着高雷电密度地区（例如近海和山区）中风力发电机组的快速发展，对于风力发电行业的所有利益相关者而言，防雷变得越来越重要。

风力发电机的结构很独特，这些高大的金属结构很容易受到雷击的破坏。它们也很难使用传统的浪涌保护技术进行保护，这些技术主要是在一次浪涌后牺牲自己。风力发电机的高度可以超过150米，通常位于偏远地区的高地上，这些地区会受到雷击等恶劣天气的影响。风力发电机最暴露的部件是叶片和机舱，它们通常由复合材料制成，无法承受直接雷击。典型的直接冲击通常发生在叶片上，造成浪涌穿过风车内的所有发电部件，并可能到达农场的所有电气连接区域。通常用于风电场的区域接地条件较差，现代风电场的处理电子设备异常敏感。所有这些问题使得保护风力发电机免受雷击造成的损害最具挑战性。

风电场系统的接地装置由接地体本身电阻、土壤电阻、引线电阻等共同组成，由接地装置、土壤电阻率决定。由于风电场的建设环境不同，电阻的降低方法也不同，有的地方土壤电阻率低，进行简单的敷设就能满足需求，而山地等地区，电阻率比较高，仅简单敷设电网并不能降低电阻，需借助各种方式实现目标。

风机对于直击雷的防雷措施中通常采用接闪器，接闪杆、金属引下线、铜制电刷等，实现对于雷电流的分流和疏导。对于非直击雷的防护则先要对风机按照国际防雷标准，根据雷电流对于风电机组不同空间的电磁场强度分布的特性，可把风机由表及里分成多个雷击防护区，同时对每个区域编以序号，不同序号区域的交界面两侧，空间电磁场强度有着明显的差别，雷击防护区的序号值与电磁场强度呈负相关。

风机的非直击雷防护主要采用安装浪涌保护器(SPD)、等电位连接、屏蔽等方法。安装雷电浪涌保护器是风机的非直击雷防护的基本措施之一，位于机舱内部的重要电气设备(发电机、齿轮箱、逆变器)旁都需要安装SPD。对机组控制系统中的信号线路、传感器和塔下电控柜也必须安装SPD。

二、总体设计思路

IEC 61400-24建议根据防雷等级（LPL）I选择风力发电机的防雷系统的所有子组件，除非风险分析表明较低的LPL就足够了。风险分析还可能显示不同的子组件具有不同的LPL。IEC 61400-24建议防雷系统应基于全面的防雷概念。

风力发电机系统的雷电和电涌保护包括外部雷电保护系统（LPS）和电涌保护措施（SPM），以保护电气和电子设备。为了计划保护措施，建议将风力发电机细分为防雷区（LPZ）。

风力发电机系统的雷电和电涌保护功能可保护两个只能在风力发电机中使用的子系统，即转子叶片和机械传动系。

IEC61400-24详细描述了如何保护风力发电机的这些特殊部分以及如何证明防雷措施的有效性。根据该标准，建议进行高压测试，以验证在常见放电中具有第一冲程和长冲程的相关系统的雷电耐受能力。必须详细检查与保护转子叶片和可旋转安装的零件/轴承有关的复杂问题，并取决于组件制造商和类型。IEC61400-24标准在这方面提供了重要的信息。

参照GB50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》的规定，并结合国内有关风机接地网设计和施工的经验，通常风电机组的接地网应设置成以塔基为中心分布的多重环形结构，对于高土壤电阻率地区的风机接地网设计，可在风机接地工程设计中采取以下降阻措施：

1、风电机组附近有较低电阻率的土壤时，可以采用外引接地极。

2、当地下深处的土壤电阻率较低时，可采用深井式接地极或采用爆破式接地技术。

3、可以在接地体周围填充电阻率低的降阻材料，但应确保填充材料不会加速接地极的腐蚀和其自身的热稳定。

三、设计和施工流程

风电场的防雷接地系统中，接地网多分为下层、上层接地网及外延接地极。防雷接地系统设计期间，需格外重视风机基础、箱变配电设施的防雷设计。根据风电场土壤特征、所处位置等，参照行业标准、规范进行设计。风电机组的接地不仅是防雷接地，还是防静电接地、设备保护接地等。风机基础作为机组的接地体，通过风机基础钢筋、接地铜引线的连接，能和箱变接地成为整体。若实际设计中，电阻不满足需求，可铺设接地网，并保证厚度多于4mm，深度多于0.8m。接地网多以风机基础中心作为圆心进行布局，风电场全部风机的接地电阻满足设计要求，即在4Ω内。

风力发电机组基础内部的接地网是以风力发电机组基础中心为圆心，根据不同基础大小设置半径不同的3圈环形水平接地体，材料可选用-60×6mm的热镀锌扁钢。风力发电机组基础外部的风机平台接地网则是在基础内部的接地网的基础上，以风力发电机组基础中心为圆心，半径应大于风机基础，向外设置一圈环形水平接地体，最内圈环形水平接地体可敷设在风机混凝土基础外开挖的基坑内，半径以及形状可根据风机基础的开挖情况和现场情况而定。在改环形水平接地体上每隔10m左右设置一根L50×5×2500mm的热镀锌角钢，局部遇到岩石处，以打到岩石为止。风力发电机组基础内部的接地网引出4处接地线与塔筒内部接地线可靠连接，安装在风机平台处的箱变接地网引出2处接地线与风机平台接地网可靠连接。

四、施工工艺与接地降阻

风电场防雷接地系统中，接地电阻是土壤电阻总和，包括土壤散流电阻、接地极和连接的电阻等，因接地极本身和连接线是导体，电阻相对较小，通常会忽略不计。从土壤、接地体表面的接触电阻来看，多选用物理降阻法降低电阻，其原理为降低接地体表面接触的土壤电阻率，也就是降低接地体和土壤之间的接触电阻。其中，接地体所铺设的降阻剂遇水后，能呈现出胶状包裹扁铁，并适当增加物理降阻模块，便于在增加接地面积的同时，提升散流效果。另外，用降阻剂包裹接地极，能增大接地极尺寸，降低土壤电阻率。并且，另外的外延接地极借助添加降阻剂、外延降阻法的联合方法，能有效降低接地电阻率，减少风力机组的占地面积。针对风电场的接地网外侧，可设施换土法降阻，也就是用厚度为0.5m的低电阻率土壤紧密的包裹降阻剂，和山体土石相比，电阻率低的土壤能进一步的降低土壤电阻，能在雷击后第一时间进行防护，实现散流目的。通过换土、添加降阻剂、深井接地的联合方法，能有机结合风机的防雷接地系统，以在雷击出现后充分发挥散流作用。

防雷接地系统施工流程的描述：

1. 风机基础养护结束，且满足回填要求后，进行外侧的接地网焊接处理，并在焊接口涂抹防腐材料；

2. 在接地网周围铺设厚度为20cm的降阻剂，以完全包裹接地扁铁为主，待降阻剂回填，彻底吸收土壤水分后，使其呈现胶状紧密包裹扁铁；

3. 在底层的接地网周围填充足量土壤，保证厚度在50cm，并将其压实；

4. 待基坑回填至距离上层70cm 后，按照图纸完成接地网的焊接处理，包括图纸设计所要求的物理降阻模块，在焊接处涂抹防腐材料。同时，使用电阻率低的土壤回填扁铁、压实；

5. 基坑回填过程中，同步开展接地极的降阻处理，也就是先用降阻剂包裹普通的接地极，然后再用电阻率低的土壤包裹降阻剂，待恢复正常后回填、压实；

6. 根据情况开挖外延的接地线，用气钻完成钻井工作，在外延的扁铁下方铺设电阻率低的土壤，随后按照第3步，在上层、外延扁铁的降阻剂铺设处理，同样的完全包裹扁铁；

7. 根据第4步，用电阻率低的土壤覆盖上层、外延扁铁降阻剂，使土壤厚度在50cm 以上，其余部位回填后压实。该过程中，需重视降阻剂的保护，禁止出现损坏现象；

8. 外延的接地极成功插入深井后，用浆状降阻剂回填；

9. 将风机的基础平台填土处理，回填结束后压实。

关于接地网接地电阻降阻技术：理论上，风机的接地电阻值越小越好，但由于地质地形、技术、经济性的限制，且部分风电场地处高原地区风机安装于山脊、山顶，所在地土壤电阻率较高，可达数千Ω/m，接地电阻往往处于高位运行，带来较大的安全隐患。当接地电阻不合格且常规降阻技术手段不适用、施工难度大、效果差时不能降低接地电阻，有必要采用使用了新技术的降阻方法进行降阻。其中，深孔爆破接地技术在风电机组降阻方面卓有成效。

风电场防雷接地设计除上述内容外，还可根据已投产风电场的运行经验，对风力发电机组的防雷设计进行有针对性的优化：

1、改善风力发电机组叶片防雷系统。

2、通过改变接地方式，将防直击雷的接地与防感应雷的接地分开。

3、在易遭到直接雷和反击雷的击关键部位加装避雷器和浪涌保护器。

4、保证风力发电机组设备接地线与风机平台接地网的可靠连接。

五、结语

为适应我国风电产业发展的特点，保证风电场运行后能带来预期的经济效益，风电场防雷接地设计的合理、可靠是风电场各个设计环节中的关键因素之一。但因风力电发电机组的构造特殊，风电场所处自然环境恶劣，为避免风电场因雷击故障造成的损失，应重视风电场的防雷设计工作。风电场防雷接地系统作为预防雷击的主要设施，对保证风机运行、保护人身及设备安全具有重大意义。

本文通过对防雷接地系统的电阻率进行分析发现，可选用换土、添加降阻剂、外延接地等相互结合的方法，以在满足降阻需求的同时，提高工作效率。因此，在风电场防雷接地设计中，因根据各个风电场的实际工程情况，给予针对性的设计，旨在促进风电产业获得良好的社会、经济效益。

参考文献

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