浅谈风电场接地网的设计、施工及运行维护.doc

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浅谈风电场接地网的设计、施工及运行维护
冯　琦
（甘肃电投鼎新风电有限责任公司　甘肃　酒泉　73500 ）
0　引言
风电场及变电站接地网对于风电场电气设备及风机的可靠运行和工作人员的人身安全起着重要作用，其接地电阻、跨步电压与接触电压是风电场接地系统的重要技术指标，是衡量接地系统的有效性、安全性以及鉴定接地系统是否符合要求的重要参数。然而，公司开发建设的干河口第五风电场、安北第六风电场场地地层岩性主要为角砾、砾砂、泥质砂岩、杏仁状玄武岩、炭质页岩夹粗砂岩和呈透镜状分布的中砂、粉土，场址区地处西北极度干旱地区，常年处于干燥状态，场地岩土具有硫酸盐强腐蚀性、氯化物弱～中等腐蚀性，对钢结构接地网、接地极具有中等腐蚀性，导致风电场的接地电阻、跨步电压与接触电压的设计计算值偏高，无法满足现行标准的要求。在设计、施工、运维过程中，如何合理确定接地装置的设计、施工方案，加强生产过程中对接地系统的运行维护工作，降低接地电阻，这是我们电气专业的重点工作之一。
1　风电场接地网电阻偏高的原因
风电场及变电站接地网电阻偏高的原因是多方面的，归纳起来有以下几个方面：
1.1　客观条件方面
一是土壤电阻率偏高。由于土壤电阻率偏高，对系统接地电阻影响较大；二是土壤干燥。极度干旱地区，角砾、砾砂、泥质砂岩、杏仁状玄武岩、炭质页岩夹粗砂岩和呈透镜状分布的中砂、粉土土层相当干燥，而大地导电基本是靠离子导电，干燥的土壤电阻率偏高。
1.2　勘探设计方面
公司开发建设的两个风电场地处极干旱戈壁，由于土壤电阻率变化较大，这就需要对每处地网进行认真的勘探、测量。根据地形、地势、地质情况，设计出切合实际的接地装置。如果不根据每处地网的地质情况合理设计接地装置并计算其接地电阻，而是套用一些现成的图纸或典型设计，那么就从设计上留下了先天性不足，造成接地网接地电阻偏高。。秦皇岛美食
1.3　施工方面
对于不同机位的风机接地来说，精心设计重要，但严格施工更重要。因为对于地形复杂，特别是位于山岩区的风机，接地地网水平接地沟槽的开挖和垂直接地极的打入都十分困难，而接地工程又属于隐蔽工程，如施工过程中不能实行全过程的技术监督和必要的监理，就可能出现如下一些问题：一是不按图施工，尤其是在施工困难的区域，屡有发生水平接地体敷设长度不够，少打垂直接地极等；二是接地体埋深不够。坚硬戈壁砂砾石区、岩石区，由于开挖困难，接地体的埋深往往不够，由于埋深不够会直接影响接地电阻值；三是回填土的问题，有关规范、设计要求用细土换土回填，并分层夯实，在实际施工时往往很难做到，尤其是在岩石地段施工时，由于取土不便，从风电场以外其它地区取土需要增加土方购买、运输成本，往往采用开挖出的碎石甚至建筑垃圾回填，这样还会加快接地体的腐蚀速度；四是采用灌水、木炭或食盐降阻，采用灌水、木炭或食盐降阻，会在短期内收到降阻效果，但这是很不稳定的。因为这些降阻剂会流失，并加速接地体的腐蚀，缩短接地装置的使用寿命。
1.4　运行维护方面
尽管有些接地装置在建成初期是合格的，但经一定的运行周期后，接地电阻就会变大，除了前面介绍的由于施工时留下的隐患外，以下一些问题也值得注意：一是由于接地体的腐蚀，使接地体与周围土壤的接触电阻变大，特别是在酸性土壤中，接地体的腐蚀速度相当快；二是在接地引下线与接地装置的连接部分因锈蚀而使电阻变大或形成开路：三是接地引下线接地极受外力破坏等。
2　接地电阻降阻方法
为了达到降低接地网接地电阻的目的，首先需要从理论上研究降低接地电阻的方法。降低接地电阻有以下两种途径，一是增大接地体几何尺寸，以增大接地体的电容；二是改善地质电学性质，减小地的电阻率和介电系数 。接地网是接地系统的基础，由接地网、接地极和引下线组成，常常有种误解，把接地网作为接地的主体（如干河口第五风电场终端杆接地网），很少使用接地极。在接地要求不高或地质条件相当优越的情况下，接地网也能够起到接地的作用，但是通常的情况下，这是不可行的。接地网可以起到辅助接地的作用，主导作用是用接地极来完成的。决定接地电阻大小的因素很多，传统的接地方式在土壤电阻率已经确定的情况下，要想达到设计要求的电阻必须有足够的接地面积，要降低接地电阻只有扩大接地面积，每扩大4倍的接地面积，接地电阻会降低一倍。要降低接地电阻的另一个方法是加大接地材料的尺寸，但是耗材太大而且效果并不理想。
2.1　技术措施
接地工程本身的特点就决定了周围环境对工程效果的决定性的影响，脱离了工程所在地的具体情况来设计接地工程是不可行的。设计的优劣取决于对当地土壤环境的诸多因素的综合考虑。土壤电阻率、土层结构、含水情况、季节因数、气候以及可施工面积等等因素决定了接地网形状、大小、工艺材料的选择，是接地设计中重要的第一手资料。因此设计施工前，要确保完成以下几项工作：
2.1.1　要精心勘探测量，要对每处地网所在位置的地形、地势、地质情况进行准确勘探，测量接地体埋设点周围的土壤电阻率及其分布情况，找出可以利用的地质结构；
2.1.2　要调查所在地的雷电活动情况和规律，决定所采取的防雷措施及其对接地电阻的要求；
2.1.3　要调查所处地段土壤对钢接地体的年腐蚀和土壤的酸碱度等；
2.1.4　要根据以上几项内容进行计算和设计，制定切合实际的降阻措施和施工方案。
2.2　降阻方法
2.2.1　敷设水平外延接地。因为水平敷设施工费用低，不但可以降低工频接地电阻，还可以有效地降低冲击接地电阻。
2.2.2　深埋式接地极。利用大地性质，深埋接地体后，使接地体深入到地电阻率低的地层中，通过小的地电阻率来达到减小接地电阻的目的。深埋接地体的间距宜大于20m。但施工困难，土方量大，造价高，在岩石地带困难更大。
2.2.3　利用降阻剂。在接地极周围敷设降阻剂后，可以起到增大接地极外形尺寸，降低接触电阻的作用。降阻剂是由几种物质配制而成的化学降阻剂，是具有导电性能良好的强电解质和水分。这些强电解质和水分被网状胶体所包围，网状胶体的空格又被部分水解的胶体所填充，使它不致于随地下水和雨水而流失，因而能长期保持良好的导电作用。而降阻剂的主要作用是降低与地网接触的局部土壤电阻率,换句话说,是降低地网与土壤的接触电阻,而不是降低接地网本身的接地电阻。这是目前采用的一种较新和积极推广普及的方法。降阻剂已有超过二十年的工程运用历史，经过不断的实践和改进，现在无论是性能还是使用施工工艺都已经是相当成熟的产品了。
2.2.4　利用电解离子接地模块。电解离子接地模块近几年得到广泛的应用，并取得一定的效果。土壤电阻率过高的直接原因是因为缺乏自由离子在土壤中的辅助导电作用，电解离子接地模块能在土壤中提供大量的自由离子，从而有效的解决接地问题。电解离子接地模块由先进的陶瓷复合材料、合金电极、中性离子化合物组成，以确保能提供稳定的、可靠的接地保护。电解离子接地模块的主体是铜合金管，以确保较高的导电性能及较长的使用寿命，其内部含有特制的、无毒的电解离子化合物，能够吸收空气中的水分，通过潮解作用，将活性电解离子有效释放到周围土壤中，正是因为电解离子接地模块不断的自动释放活性电解离子使得周围土壤的导电性能能始终保持在较高水平，于是故障电流能顺畅的扩散到周围的土壤中，从而充分发挥接地系统的保护作用。另外，电解离子接地模块所包含的特制回填料具有非常好的膨胀性、吸水性及离子渗透性，使电解离子接地模块与周围的土壤保持良好的接触界面，无论天气或周围环境如何变化，都能使电解离子接地模块保持最佳的接地保护效果。但投资相对也是比较大的。
2.2.5　其他方法。如何降低接地电阻目前已成为风电场工程建设的难点之一，除了以上方法外，增加地网的埋设深度、利用深孔爆破接地技术、自然接地体、局部换土、深井接地、扩大接地面积和采用两层水平接地网等等也都有一定的可行性。根据不同位置的不同情况可以选择适合的降阻措施，而各种方法也不是孤立的，可以相互配合，以取得更好的实际效果。
2.3　精心施工及运行维护
精心的施工才能达到良好的设计的实施效果，看起来不重要的实施细节常常导致严重的后果。因为接地网工程是隐蔽工程，当施工完成后，错误不一定马上可以检测到，即使发现问题补救也是很麻烦的，尤其是防腐细节。因此，设计图纸和施工方案制定出后，就要到现场精心组织施工。对水平接地体，垂直接地体的布置严格按设计要求布置，对各焊接头质量，降阻剂的使用，回填土等每个环节严格把关。当然，工程结束后要加强运行维护；定期进行接地电阻和回路电阻测量，以保证接地一直处于良好的状态。
3　结语
风电场接地网的设计应结合实际情况进行, 接地装置能否发挥它应起的作用，关键在于设计和施工运行这两个环节。首先是设计，它是保证接地装置效果的前提条件；其次是施工运行维护，施工的工艺和质量是保证接地装置效果的基础，是体现设计目的的手段，而维护是后期地保养及使用期限的延长。因而在公司所建两个高土壤电阻率地区的风电场的设计与建设中，必须注重优化设计与综合治理，以充分提高接地网建设的经济性与安全运行的可靠性。
结合干河口第五风电场接地网施工中的实际困难和安北第六风电场山岩较多的实际情况，建议在安北第六风电场建设中，接地网设计选用优质降阻剂或是直接从土建施工合同中分离，设立专项工程预算，单独招标选择专业厂家，应用电解离子接地模块，且不论采用何种方式，严格按照规范、设计进行施工，监理、监督、测量到位仍然是十分重要的。并将实施过程中的成功方法、经验进行总结分析，以便于在今后的风电场、常乐电厂2×1000MW工程建设中更好的开展接地网工程。对于干河口第五风电场接地网必须加强运行维护工作，定期进行接地电阻值的测量，接地引下线连接情况的检查等。

作者简介：
冯琦（1973.1～），男，甘肃定西人，毕业于西安电力学校电力系统自动化专业，助理工程师，从事风电场安全生产管理工作。

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