陆上风电机组接地实例分享

10.2.1.1　滩涂地（基础管桩与水平接地网结合接地实例）

江苏沿海某工程地质条件为：场址区勘探深度范围内上部②～③层为第四系全新统冲海相粉土及海相淤泥质软土，下部为晚更新世滨海相沉积物，土壤电阻率约为2Ω·m。

因风电机为高耸结构建筑物，受水平风荷载时，其水平力和底部弯矩很大，并且风电机对塔架倾斜较敏感，对基础不均匀沉降要求较高。风电机组基础采用PHC桩基础，PHC桩采用工厂预制、高压蒸汽养护，桩身采用高强混凝土（C80）和高强预应力钢丝。参考国内外风电机组基础资料及已建工程的设计经验，风电机组基础为直径17m的圆形基础，每台风电机采用34根DN600PHC桩，桩长30m，分3圈布置，外圈20根，中圈10根，内圈4根。

由于土壤电阻率低，且土建基础管桩数量多、管径大，且长达30m，可充分利用土建基础管桩作为自然接地体，风电机组接地装置以风电机组基础中心为圆心，根据基础管桩位置设置多圈环形接地网，接地网敷设于管柱桩顶部并与管桩钢筋网可靠连接，同时从风电机组中心向外敷设4根水平接地扁钢与环形水平接地扁钢连接。箱变基础接地网与风电机接地网用2根扁钢连接。

经该地区多个工程接地检测试验，采用该接地方案，单台风力发电机工频接地电阻远小于2Ω。滩涂地风电机基础接地示意图如图10-20所示。

10.2.1.2　草原（土壤电阻率较低，基础钢筋与水平接地网接地实例）

内蒙古某工程地质条件为：场区稳定地下水位以上土层①层、②层及③—1层细砂视电阻率值整体上稍大，稳定地下水位以下电阻率值较小，由于场地大，各测试孔位视电阻率变化较大，各层土壤电阻率值在几十欧米到四五百欧米之间，经加权计算后，土壤电阻率取值介于22～108Ω·m之间。从该工程地质条件来看，接地条件良好，处理方法也较容易。

首先充分利用风力发电机基础钢筋网作为自然接地体，根据现场实际情况及土壤电阻率敷设人工接地网，以满足接地电阻的要求，重点区域加强均压布置。

单台风电机接地装置采用以风机中心为圆心设置环形水平接地带，内圈圆环半径为9m，外圈以9m间距递增，同时从风机中心向外敷设数根水平接地扁钢与环形水平接地扁钢相交，水平接地扁钢敷设深度为1.2m。在辐射水平接地扁钢与环形水平接地扁钢交点处设置垂直接地极，垂直接地极长3m，顶部距地面1.2m，与水平接地扁钢焊接，垂直接地极相互间距必须大于6m。箱式变电站接地网完成后，用2根接地扁钢与风电机基础接地网可靠连接。

环形水平接地扁钢及辐射水平接地扁钢主要起连接和均压作用，而扩散雷电流的任务主要由垂直接地极完成。采用该方案，在_该地区单台风力发电机工频接地电阻一般均小于4Ω。草原风电机基础接地示意图如图10-21所示。

10.2.1.3　江西某风电场风电机组接地计算处理实例（垂直接地极与降阻剂结合接地实例）

江西某风电场具有装机容量大、机组分散等特点，设计中根据不同的地质条件采用不同的接地方法，使接地电阻达到规范要求值。风电机组基础主要分为两种情况：沙地和天然地基。对于沙地地基，设计中主要采用水平接地体和垂直接地体外加少量降阻剂相结合的方法。对于天然地基，主要采用水平接地体和接地模块相结合的方法。充分利用风电机组的基础，在互成120°管桩中敷设三根垂直接地极并引出与风机主接地网相连。

图10-20　滩涂地风电机基础接地示意图（单位：mm）

1.风机基础为沙地的接地电阻

（1）复合式接地网。风机接地网面积S∑=2600m2，土壤电阻率ρ=5000Ω·m，则

图10-21　草原风电机基础接地示意图

（2）接地深井。φ100mm镀锌钢管，10m/根，10口深井，取ρ=5000Ω，d=0.1，则

全厂总接地电阻经实际测量为25.5Ω。

2.风机基础为天然地基的接地电阻

天然地基因为垂直接地体难于往深度方向发展，所以采用水平接地体和接地模块相结合，并且在水平接地体周围敷设降阻剂的方法。同时充分利用了风电机组的基础，在互成120°管桩中敷设三根垂直接地极并引出与风机主接地网相连，因为接地模块至今尚无成熟的计算方法，只能通过实际测量得到接地电阻值。

由上面的计算结果可以看出：风机的接地电阻还是不能满足工频接地电阻的要求，当采用2～4根长度为60～80m的镀锌扁钢外延后，单机接地电阻仍然大于4Ω，选择地理位置相对接近的风机地网相连以达到降低接地电阻的效果。本工程33台1500kW风机地网分成5个片区进行互联，片区内风机的距离均在500m以内，各局部大接地网连接完成后，检测接地电阻，5个片区接地电阻均小于4Ω。

10.2.1.4　湖北某风电场风电机组接地计算处理实例（垂直接地极与降阻剂结合接地实例）

湖北某风电场位于海拔约1600m的高山上，风电机所在地一般由表土、风化岩、基岩三层组成，该地区岩性为片麻岩和石英岩，碎石土层中夹有云母，其电阻率均较高。根据土壤电阻率测试报告，其土壤电阻率为1000～4500Ω·m，强风化岩电阻率为1500～27000Ω·m，基岩为5000～25000Ω·m。

本风电场共安装16台850kW西班牙进口风电机组，供货厂家为GAMESA，风电场采用两级升压方式。风电机出口电压为690V，在每台风电机附近配套安装一台0.69/10kV箱式变电站，根据布置情况，每3～5台风电机组成一个联合单元后，由1回10kV电缆线路送至升压站_10kV开关柜；10kV侧共“4进1出”，采用单母线接线方式；风电场电能经1台SZ10-16000/110主变压器再次升压至110kV后送入系统，110kV侧“1进1出”，采用变压器线路组接线。

风电机组本身的防雷及过电压保护已由风力发电机制造厂家在出厂前完成，但仍需要对其配套设备及基础进行防雷接地设计。根据IEC62305-3，结合本工程进口风力发电机机组厂家的要求，单台风力发电机冲击接地电阻需小于10Ω，以利于风力发电机雷电流释放。

结合各台风力发电机组所处位置地形情况，首先按以下方法进行设计，如接地电阻不满足要求，则需对该接地网进一步采取措施。

根据风电机组所处位置的地形情况，单台风电机接地装置采用以风电机中心为圆心设置环形水平接地带，根据冲击有效范围的计算，内圈圆环半径为9m，外圈以9m间距递增，同时从风电机中心向外敷设数根水平接地扁钢与环形水平接地扁钢相交，水平接地扁钢敷设深度为1.2m（该地区冻土层厚度约1m）。在辐射水平接地扁钢与环形水平接地扁钢交点处设置垂直接地极，垂直接地极长3m（土壤电阻率大的应加长），顶部距地面1.2m，与水平接地扁钢焊接。垂直接地极相互间距必须大于6m（具体根据垂直极长度增加而相应加大）。环形水平接地扁钢及辐射水平接地扁钢主要起连接和均压作用，而扩散雷电流的任务主要由垂直接地极完成。

1.单台风力发电机的接地电阻计算

（1）单台风力发电机水平复合接地网工频接地电阻为

式中　Rg——风电机工频接地电阻，Ω；

ρ——土壤电阻率，Ω·m；

S——接地网面积，m2。

（2）单个垂直接地极接地电阻为

式中　RV——单个垂直接地极接地电阻，Ω；

l——接地极的长度，m；

d——接地极的等效直径，m。

（3）单台风电机冲击接地电阻为

式中　Ri——单台风电机冲击接地电阻，Ω；

I——雷击冲击电流，kA；

α1——水平接地网冲击系数；

α2——垂直接地极冲击系数；

m——水平接地网参数为0.9；垂直接地极参数为0.8；

β——水平接地网参数为2.2；垂直接地极参数为0.9；

η——屏蔽系数，取0.7。

（4）每台风电机冲击接地的有效半径为

式中　r——风电机冲击接地的有效半径，m；

ρ——土壤电阻率，Ω·m。

将单台风电机土壤电阻率等参数代入式（10-1）～式（10-6），可计算出每台风电机的冲击有效半径、工频接地电阻和冲击接地电阻，见表10-2。(www.xing528.com)

表10-2　单台风电机工频接地电阻和冲击接地电阻

尽管本风电场土壤电阻率很高，但由于风电机组厂家要求为冲击接地电阻不大于10Ω，不是一个很高的要求，因此经过设计计算，大部分机组都能满足要求，根据表10-2的计算结果，本风电场还有6号、8号、14号共三台风电机的冲击接地电阻不满足要求，应采取措施降阻，本工程采用了物理型长效降阻剂（包括水平网和垂直接地极），用0.2m×0.2m的体积包裹接地体，以降低三台风电机的接地电阻，根据厂家经验参数，降阻系数可达到0.52，但为保险起见，取降阻系数为0.6。

使用降阻剂后风电机场地土壤电阻率普遍较高，且地形复杂，水平接地网施工困难，因此其余各台风电机的垂直接地极也使用长效降阻剂以有效地降低冲击接地电阻，见表10-3。

表10-3　使用降阻剂后单台风电机工频接地电阻和冲击接地电阻

采用降阻剂降阻后，接地竣工验收经测试，所有风电机组接地电阻均满足了风电机组厂家的要求。

2.升压站接地计算

（1）110kV升压站保护措施包括以下内容：

1）直击雷保护。升压站电气设备采用户内型布置，布置在生产楼内。因此，升压站生产楼可采用屋顶女儿墙避雷带进行直击雷保护。

2）侵入雷电波保护。在风电场10kV配电装置母线和110kV配电装置（GIS）出线侧与架空线入口处装设氧化锌避雷器保护。

3）消弧线圈消谐。本风电场10kV侧采用电缆输电，经计算，风电场10kV系统单相接地电容电流小于30A。按照规程规定，可不安装消弧消谐设备。

4）操作过电压。在升压站10kV断路器柜中配置过电压吸收装置来防止真空断路器的操作过电压。

5）接地。由于110kV升压站土壤电阻率高，而升压站采用户内布置方案，占地面积小。因此，接地电阻非常大，必须采取措施降低接地电阻。

接地装置采用方孔网格状布局，网格间距8m左右，水平接地扁钢敷设深度为1.2m（该地区冻土层厚度约1m），在升压站挡土墙内侧一圈设置接地极（长度为5m），同时，升压站向四周扩大接地网的面积，网格间距为30m，最后在大面积接地网外向外敷设数根水平射线。在扩大后的整个接地网范围内使用长效降阻剂以降低升压站接地电阻。

（2）升压站接地电阻计算。

升压站接地电阻为

升压站接地网和所有风力发电机接地网用三根镀锌扁钢连接。连接线接地电阻为

式中　R线——水平接地极的接地电阻，Ω；

A——水平接地极的形状系数，A=-0.6。

由于1～5号及14～16号风力发电机距离升压站较远，对降低整个地网的工频接地电阻效果不大，故不考虑该部分连接用地线及风电机接地网对升压站工频接地电阻的影响。

因此，升压站总的工频接地电阻为

式中　η——整个地网屏蔽系数取0.9。

（3）升压站内接触电压和跨步电压验算。

1）地电位为

Ug=IRg=9420（V）

式中　I——入地电流，根据短路电流计算结果取6000A。

经计算，Ug＞2000V，按照规程要求，需采取隔离措施。

2）最大接触电位差为

其中

3）最大跨步电压为

其中

4）允许最大值为

跨步电压

式中　ρf——地表面的土壤电阻率，计算设备接触电压时取干燥混凝土电阻率3000Ω·m，计算跨步电压取测量最低土壤电阻率值1600Ω·m；

t——短路电流持续时间，取0.6s。

从计算结果可以看出，升压站内的设备接触电压不满足要求，需采取措施，在隔离开关操作机构、设备本体、支架构架四周0.6m处敷设局部闭合接地线，埋深0.3m，并与设备支构架的接地引下线相连。地面跨步电压满足要求。

（4）隔离措施。考虑到本电站处于高电阻率地区，满足《交流电气装置的接地》（DL/T 621—1997）中的不大于5Ω的要求。但升压站地电位超过2000V，按照规程要求需采取隔离措施，防止风电场高电位引出及场外低电位引入。措施如下：

1）通信（或信号）线是最常见的低电位引入和高电位引出途径。本风电场对外界的通信线、信号线等采用光纤连接。风电场的通信线路对外是隔离的，不存在高电位引出和低电位引入的问题。

2）为了防止高电位引入，从升压站内引到接地网外的低压线路，最好使用架空线路，其电源中性点不在接地网内接地，而在用户处单独接地。如果采用金属外皮的电缆供电，则除电源中性点不在接地网内接地而在用户处接地外，最好能把电缆直埋于土中，或在电缆进入用户处将金属外皮剥去50～100cm后穿入绝缘护套内。

3）引出接地网外的金属管道，可采用一段绝缘管，或在法兰连接处加装橡皮垫和绝缘垫圈，并把连接法兰的螺栓穿在绝缘套管内等隔离措施。采用法兰隔离高电位，通常不应少于三处。

3.线路屏蔽

风电场内设备布设的各种电力线、电源线和信号线易于受到雷电脉冲磁场的感应作用。当这些线路受到电磁感应后，将会产生沿线路传输的电涌过电压，侵害与线路端接的电气和电子设备。对线路采用的常见屏蔽措施是使用屏蔽电缆，即利用缆线外的屏蔽层来阻尼电磁场对内部芯线的感应。线路的屏蔽应注意以下几点：

（1）在机舱、控制柜和塔内布置电源线和信号线时，建议架设布线槽进行布线。风电机组内的供电电源和IT连接头排布要求遵守电缆的EMC平衡法排布和强制要求的间距，防止彼此间的电磁干扰。

（2）通信系统线缆与防雷引下线最小平行距离为1m，最小交叉距离为0.3m；电力电缆与通信线缆平行敷设时，最小间距为0.6m；配电箱与通信线缆最小距离为1m，变电室与通信线缆最小距离为2m。

另外，在LPZ边界处，等电位联结网必须包含屏蔽的IT电缆和导体，并使用浪涌保护设备。