柔性接地体在山地风电接地改良项目中的研究与应用

2021-11-14 10:38 [新能源论文] 来源于：互联网作者：互联网

导读：作者：夏侯智聪摘要：国家电投江西钓鱼台风电场场区规划面积85.42hm，场内主要为岩石、砂砾层，年雷暴次数达57.9天，属于典型的多雷地区。针对风电场雷击跳闸次数较多、山地风电项目地形复杂、土壤电阻率高等特点，分析了传统接地网设计在工程施工和生产运

作者：夏侯智聪

摘要：国家电投江西钓鱼台风电场场区规划面积85.42hm，场内主要为岩石、砂砾层，年雷暴次数达57.9天，属于典型的多雷地区。针对风电场雷击跳闸次数较多、山地风电项目地形复杂、土壤电阻率高等特点，分析了传统接地网设计在工程施工和生产运行过程中存在的弊端，提出应用柔性接地体替代传统热镀锌扁钢的接地网的改造方案。改造后有效降低该条线路的雷击跳闸率，可发挥巨大的经济效益和社会效益。

关键词：柔性接地体接地网防雷系统耐腐蚀材料

1 前言

多数山地风电项目所处环境地质条件恶劣，土壤表层浅薄松散且含水量小，内层多为碎裂状较坚硬岩石，电阻率高。传统接地网大都采用热镀锌扁钢为接地材料，随着运行年限的增长，接地极慢慢腐蚀失效的问题日益突出。接地电阻超标使得输变电线路更容易遭受雷击伤害。

本文通过对山地风电项目接地网传统设计在工程施工和生产运行过程中存在的弊端，提出了应用柔性接地体接替代热镀锌扁钢的接地网设计方案，解决施工难度大、易腐蚀、接地电阻居高不下、输电线路雷击跳闸、电压过高烧毁设备、局部地区消除雷电等问题，保证电气设备的安全可靠运行。

2 传统接地材料的使用

传统接地网通常采用圆钢、扁钢、镀锌钢、铜包钢、铜等金属接地材料。圆钢和扁钢等钢材的耐腐蚀性能较差，镀锌钢材的耐腐蚀性能虽然有所改善，但在酸性土壤及电离情况下也不如人意。铜包钢和铜质接地材料在一定程度上解决了耐腐蚀性能问题，但在酸性土壤中容易被腐蚀，使用寿命短。

3 接地电阻高的原因分析

根据GB50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》和IEC TR61400—24《风力发电系统防雷保护》要求，接地网工作接地电阻要求不大于4Ω，防雷接地电阻在土壤电阻率ρ≤500Ω.m的地区应不大于10Ω。山地风电项目的接地电阻在建成初期是合格的，但随着运行年限的增加，会出现接地电阻升高的现象。

3.1 地质条件的影响

山地风电场一般沿山脊线就近布置输变电线路。地质结构大多数都是以砂砾土和岩石为主，特别是干旱地区，表层土壤薄，植被较少，水土流失较为严重，地下水资源少，且埋藏较深。电流通过大地泄放基本是靠离子导电，地质条件的客观原因造成了土壤电阻率偏高，对系统接地电阻影响较大。

3.2 接地网设计的影响

山地风电项目地形复杂，土壤电阻率不均匀，接地网点多面广，大多数设计院在进行微观选址时，不能根据地形、地势、地质情况对每处接地网进行认真的勘探、测量。

3.3 接地材料和降阻措施的影响

介质自身的电阻率是影响接地电阻的第二大因素。R＝0.5ρ／√S可以看出降低介质电阻率就可以降低地网的接地电阻。在接地材料的选择上，没有根据地网的地质条件等情况综合考虑。金属接地材料最大的瓶颈问题是腐蚀，随着运行年限的增加，接地材料的腐蚀带来接地电阻的升高并逐年加剧，严重威胁设备的安全运行。

3.4 施工因素影响

对于山地风电项目，接地环网水平接地沟槽的开挖和垂直接地极的打入都十分困难，在施工过程中可能会因隐蔽工程的过程管理不到位留下施工隐患。

一是在开挖困难的岩石地区，在接地沟槽的深度、宽度以及接地井的深度不符合要求，接地体的埋深不够将直接影响接地电阻值；二是接地沟随地形起伏，无法保证平整和顺直，敷设的接地扁钢会有部分顶在岩石上，降阻剂不能完全将接地体包在降阻剂中，必然导致该部分接地体快速腐蚀生锈；三是镀锌扁钢接地材料之间需要切割、焊接、防腐等工序，高温电弧焊会破坏接头部位的镀锌层，还可能会产生气孔、夹渣、裂纹等焊接缺陷；四是降阻剂和回填土不能严格按有关规范要求进行填充、回填和夯实，或者采用开挖出的碎石进行回填，加快了接地体的腐蚀速度。

3.5 运行因素的影响

在项目投产运行一定周期后，接地电阻逐渐变大，除了由于施工留下的隐患外，还有接地引下线锈蚀或断开、接地材料腐蚀、接地极受外力破坏等因素的影响。接地装置运行维护不到位，防腐层破损和脱落，接地材料锈蚀而使电阻变大；山区土壤多呈酸性，加速了镀锌扁钢的腐蚀速度，使接地体与周围土壤的接触电阻变大；因水土流失导致部分接地网裸露于地表，或接地体埋深不够被耕种和开荒挖断造成损坏等。

4 柔性石墨接地材料特性

4.1 材料的结构特点

柔性接地体具有导电性好，吸水性强，保水性好，可以依据地理条件以任意形状快速成型，与介质形成最大的接触包裹表面积，能够获得最多的异性感应电荷，能够在瞬间中合雷电泄放电流。

4.2 产品特点及亮点

柔性接地体具有：降阻效率高，抗腐蚀性能强，使用性能稳定的特点。现场成形，不受地形限制，吸收雷电流能力强的特点。

1．施工简便，工程量小，效果显著的特点，能够与金属紧密结合。能够与介质紧密结合，形成电荷多维运动通道、保水性强有利、长期稳定运行。

2．降阻效率高，速度快：柔性接地体降阻系数0.16，比国家标准0.8高了5倍，而且可以在最短时间内实现降阻，效果稳定。

3．防腐蚀效果显著：柔性接地体完全包裹金属接地极隔绝了空气中的氧气，杜绝了氧化反应，隔绝了酸性土壤，能够最大限度延长接地网的使用寿命，理论上可以实现6倍时间。

4．柔性接地体将接地模块合胶体降阻剂施工合二为一节约了材料成本和施工成本。

4.3 耐冲击试验变化率计算

不同介质对比计算：普通土、降阻剂、接地模块、离子地极等20%上升，20次组合雷击后上升到1.220=38，如果起始4欧姆则结果152欧姆，如果起始电阻10欧，那么瞬间电阻380多欧，电压大几十倍早已烧毁设备。

柔性接地体1.00720=1.14，如果起始4欧姆，则结果4.54欧姆，在一个绝对安全的范围内，即便是10欧姆起，瞬间也只有11.4欧姆，所以没有过电压产生，对设备没有危害。

5 应用案例与效果分析

柔性石墨接地材料在风机接地网中的应用

国家电投江西钓鱼台风电场输变电线路基础上覆地层为持力层为粉质粘土混碎石或强~中风化基岩。该风场土壤电阻率较高，集电线路接地网改造采用柔性接地体包裹的接地材料。接地网使用40x4 热镀锌扁钢在杆塔地网四周先做一个等电位环带，从杆塔等电位环带的四个角分别引出 1 根40x4热镀锌扁钢，每根长 6 米，扁钢采用 HD-R10型柔性接地体完全包裹，从而改善吸收雷电流的情况，每基杆塔并采用柔性换土的方式，换土量约30立米。接地网改造如下图所示。

通过该风电场输电线接地网改造实际应用，表明柔性石接地材料在高电阻率土层条件下，能有效降低接地电阻，实现每基铁塔接地电阻在4Ω以内。该风电场共计11回线路，在2019年完成1条线路改造，至今未发生雷击跳闸。

6 结束语

柔性接地材料具有优异的耐腐蚀性，其中柔性接地体方案具有降阻效率高，防腐蚀效果显著、电荷存贮性以及降阻保持性良好、施工便捷等特点，广泛适用于酸性环境和电阻率高的土壤；质量轻便，具有柔性体可全方位覆盖接地体，在施工中可根据地形地势避开岩石和树木；相对于传统接地施工方式，降低了施工难度，具有金属接地材料不可比拟的施工优势，是传统接地材料理想的替代品。

参考文献：

[1].中国电力企业联合会．交流电气装置的接地设计规范[S]．北京：中国计划出版社．2011

[2].王超，付井亮，杨琪，艾伟等．石墨基柔性接地体在藏中联网工程中的应用[J]．电工材料．2018.2：36

[3].国际电工委员会．雷电防护-第24部分：风力发电机组[S]．2002

（编辑：东北亚）

柔性接地体在山地风电接地改良项目中的研究与应用

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