如何降低陆上风电机组的接地电阻？

风电机组所处环境一般较为恶劣，多安装在近海、海岛、滩涂、高山、草原等风资源较好的空旷地带，不同地理位置的土壤电阻率大不相同。对于土壤电阻率较低的地区，如滩涂地、草原等，降低接地电阻的方法可以充分利用风电机基础本身的自然接地体，再结合敷设水平接地扁钢与环形水平接地扁钢形成水平环形接地网即可达到降阻的目的。工程的重点和难点是在高土壤电阻率处的方案设计、施工。若所处地区的土壤电阻率过高而使接地电阻值不符合要求，应采取必要的其他降阻措施降低接地电阻。降低接地电阻方法有很多，如采用垂直接地极或深井接地、扩大接地网的面积、采用降阻剂等。

8.2.3.1　垂直接地极降阻

位于高土壤电阻率的风电机组，由于实际地理条件限制，在山区等选址进行扩大接地网面积或敷设水平引外接地网往往成本较高，难以实现。因此工程上考虑采用垂直接地极来降低接地电阻的方法，其本质是根据接地电流的散流情况，在立体上增加了散流面，增大了接地体与大地的接触面积，使雷电流更容易入地，从而降低了接地电阻。然而在以往某些接地设计中，由于缺乏对垂直接地极的深入研究，往往造成垂直接地极遍布水平接地网，数量众多但长度较短，无法达到很好的降阻效果，并且造成资源浪费。

根据式（8-10），可计算出单根垂直接地极接地电阻，对每台风机进行垂直接地极的设置。但在垂直接地极泄流的过程中，会受到其他接地导体散流的相互影响，即电流屏蔽作用。垂直接地极电阻的大小与接地导体间的距离等因素有关。在水平接地网基础上设置的垂直接地极与接地网和其余垂直接地极存在屏蔽作用。因此，需要考虑垂直接地极的敷设位置、数量和长度等问题。

依据相关研究成果，总结出工程上需要注意以下问题：

（1）应将垂直接地极设置在水平接地网的边缘，使其与水平接地网接地导体的屏蔽作用最小。如果地理条件允许，应尽可能远离水平接地网设置接地极，再通过导体与水平接地网相连。

（2）水平接地网和垂直接地极构成的三维接地网中，接地电阻R随垂直接地极的数量的增加而降低，当增加到一定数量时，R值趋于饱和。这是由于随着垂直接地极的增加以及间距的减小，屏蔽系数增大，导致垂直接地极相互之间、垂直接地极与水平接地网接地导体之间的屏蔽作用增大。

（3）根据计算机程序模拟结果，当垂直接地极根数一定时，降阻率随其长度增加而增大，当长度增加到一定程度时，降阻率增大逐渐趋于饱和；而垂直接地极数量越多，饱和时垂直接地极的长度越短。另外，垂直接地极长度与水平接地网等值半径之比应在1.0以上时，才可获得满意的降阻率。

图8-3　使用降阻剂的垂直接地极

8.2.3.2　垂直接地极加物理型降阻剂降阻

除设置垂直接地以外，降阻剂也可以降低接地电阻。在高土壤电阻率地区，为了取得更好的降阻效果，设置垂直接地极的深井中可采用压力灌浆法灌注接地降阻剂。

使用降阻剂本质上是增加了接地体的直径，扩大了接地体与大地的接触面积，减小接触电阻，从而实现降阻。在施工挖沟及打井的过程中，降阻剂包裹或者灌注并不仅限于施工区域，降阻剂会沿着岩石或者土壤不断向四周扩散，从而给散流创造了一个良好的条件。

采用降阻剂后，垂直接地极等效模型如图8-3所示。

1.接地电阻的计算

加降阻剂后垂直接地极的接地电阻为

式中　Rj——采用降阻剂后垂直极的接地电阻，Ω；

ρy——原土壤的等效土壤电阻率，Ω·m；

ρz——降阻剂的电阻率，Ω·m；

l——垂直接地体长度，m；

d——垂直接地体直径，m；

d1——加降阻剂后的直径，m。

由于接地网处于高土壤电阻率地区，采用的降阻剂土壤电阻率ρz≪ρy，因此，垂直接地极接地电阻可以简化为

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如果风电机组处于岩石较多的地区，还可采用深井爆破并加压灌注的方式，将深井下半部的岩石炸裂，使低电阻率材料包覆接地体沿着裂缝渗透，通过低电阻率材料将地下巨大范围的土壤内部沟通及加强接地极与岩石土层的接触，从而达到降低接地电阻的目的。

2.爆破接地技术降阻的基本原理

爆破接地技术是指采用钻孔机在地面垂直钻出一定直径、一定深度的孔，在孔中插入接地电极，沿垂直孔隔一定距离安放一定的炸药，进行爆破。然后用压力机加压调低电阻率材料并压入深孔中及爆破产生的缝隙中，通过低电阻率材料加强垂直接地极与土壤岩石的接触，将短路电路引入较深的地层中散流，大幅度降低接地电阻。垂直孔深度一般为30～120m。

图8-4　爆破接地技术后形成的三维网状结构接地体

根据爆破技术的基本原理以及现场开挖对爆破结果进行验证，发现低电阻率材料呈树枝状分布在爆破产生的缝隙中，填充了低电阻率材料的裂隙向外延伸很远。垂直接地体之间在爆破后，通过填充低电阻率材料的裂隙而广泛沟通，形成由低电阻率材料组成的连接体，最后形成一个向外延伸且内部互联的三维接地系统，如图8-4所示。在接地系统施工，特别是旧地网改造时，爆破不触及距离地表2～5m的距离，防止对已有接地网、地面建筑物造成影响。

试验测得一般爆破制裂产生的裂纹可达2～30m，通过开挖发现，最长的裂隙达到40m。爆破后岩孔周围的岩石呈两种状况：在孔周围较近的地方，岩石破裂的裂纹较多；距孔较远的地方裂纹较少。通过爆破制裂，一方面产生大量的裂纹，另一方面产生的裂纹将岩石固有的节理裂纹贯通。

总结爆破接地降阻技术的主要原理：该技术相当于大范围换土，将大范围的高电阻率土壤置换为广泛分布的低电阻率材料的岩石通道，改善土壤的散流性能。另外，还可以充分利用地下深处低电阻率土壤以及岩石的结构弱面，如节理、层理和裂缝等。

在高土壤电阻率地区，利用垂直接地极和采用深井爆破方式加降阻剂有效，但深井爆破费用相当高。风电场风电机组数量多，因此，需结合实际地形和工程预算来选择合适的接地方式。

8.2.3.3　离子接地降阻

离子接地降阻是指使用电解地极在任何土壤条件下向地表纵深方向降低土壤接地电阻率，从而达到降低接地电阻的效果。本书介绍一种DK-AG电解地极，该电解地极是在带有多个呼吸孔的铜管内填装无毒化合物晶体，不会对环境造成任何污染。铜管埋于地下，铜管上的呼吸孔吸收土壤的水分，使化合物潮解变为电解质溶液，渗透到周围的土壤中，在土壤中形成成片导电率良好的电解质离子土壤。本方法在恶劣的土壤条件下（如岩石、冻土、沙土等）和不同的季节变化中同样有效，使原来导电率极差的地质结构形成了一个良好的电解质导电通道，从而达到降低土壤电阻率的目的。

实际操作方法有：可以在电解地极埋设的位置打一个深井，把DK-AG电解地极置于深井中，留出接地引下线，用AG回填料埋好，再回填普通土，浇上水即可；在土壤干燥的地区，可以用保水的回填土或保水的降阻剂填满全井，这样可以保证全年对电解地极的供水，以便电解地极内的离子充分释放到土壤中。

根据式（8-14），已知某地的土壤电阻率，可算出每台机组的有效接地范围，只要在该有效范围内使用一定数量的电解地极，高导电率的电解质溶液就通过土壤、岩石等介质扩散到周围土壤中，土壤电阻率便会降低，进而从根本上降低接地网电阻。离子接地降阻需要注意以下几点：

（1）电解地极降阻效果好，性能稳定，但容易对接地体产生腐蚀，铜电解极对钢材产生阳极反应，电解液易流失，易造成变电站周边土壤污染。

（2）针对某些地区不易扩大接地网面积或由于其征地费用较高而难以扩大征地范围，实际施工过程中可以采用非开挖导向钻机向地网外做斜井外扩地网，该地网线上均匀布设电解地极，充分考虑并利用斜井接地扩大接地网面积的特点。斜井埋设电解地极剖面图如图8-5所示。

图8-5　斜井埋设电解地极剖面图

（3）关于电解地极数量的计算，设N为在要达到的接地电阻设计值R所需的电解地极的数量，经验公式为

式中　R0——采用降阻剂前接地网的接地电阻，Ω；

R——要求达到的接地电阻，Ω；

ρ——土壤电阻率，Ω·m；

k——系数，当ρ＜200Ω·m时，k=3；当200≤ρ＜500Ω·m时，k=4；当500≤ρ＜1000Ω·m时，k=4.5；当ρ≥1000Ω·m时，k=5。

因此，只要计算出在采用降阻措施前某个接地网的接地电阻值，结合风电机组厂家要求的接地电阻R，并根据土壤电阻率ρ，便可得知电解地极的数量。最终N值为一个自然数，求出的最终接地电阻必须小于要求的接地电阻R。

电解地极施工方式及接地示意图如图8-6和图8-7所示。