基于IEC標準的風(fēng)電場接地電阻的計算

摘 要：風(fēng)電場防雷是風(fēng)電場運行維護中的重要部分，接地技術(shù)是為了防止電力或電子等裝置遭受雷擊而引入的保護性措施。本文研究了IEC風(fēng)機接地規(guī)范中的接地電阻公式，并進行理論計算，IEC公式的計算結(jié)果具有一定指導(dǎo)意義，同時與國標進行比較，結(jié)論為增加外延射線對降低工頻接地電阻是行之有效的，但對沖擊電流則效果有限，實際設(shè)計過程中應(yīng)根據(jù)風(fēng)機環(huán)境選擇合適的算法進行計算。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場接地計算；IEC標準；山地風(fēng)電場

中圖分類號：TM 614" " " " " 文獻標志碼：A

風(fēng)電場防雷是風(fēng)電場運行維護中的重要部分，其重要性在于確保風(fēng)力發(fā)電機組和相關(guān)設(shè)備在雷電活動中能夠有效排除雷電放電的影響，從而保障設(shè)備的安全性、可靠性和壽命。

設(shè)計和運營風(fēng)電場時，防雷接地都是綜合工程規(guī)劃的重要部分，需要選擇合適的接地材料、布置接地極并考慮土壤電阻率等因素。維護人員還應(yīng)定期檢查、測試防雷接地系統(tǒng)，確保其始終處于良好的工作狀態(tài)。

由于雷電導(dǎo)致的風(fēng)電場雷擊事件呈逐年增長趨勢，雷擊造成的葉片、機組電控設(shè)備損傷嚴重，因此雷擊已經(jīng)成為影響風(fēng)電機組安全運行、風(fēng)電場安全生產(chǎn)的危險因素之一。接地技術(shù)是為了防止電力或電子等裝置遭受雷擊而引入的保護性措施[1]。

在風(fēng)電場接地設(shè)計中，需要在技術(shù)和經(jīng)濟合理的情況下最大程度地滿足安全運行。針對內(nèi)陸風(fēng)電場多布置于山區(qū)的特點，需要充分了解場地的地質(zhì)和土壤電阻率情況，以選擇合適的接地措施以滿足安全運行的要求。

1 接地系統(tǒng)的雷電沖擊特性

在沖擊電流作用下，接地裝置的阻抗為暫態(tài)阻抗，隨時間而發(fā)生變化。一般將沖擊電壓的最大值與沖擊電流的最大值之比定義為沖擊接地電阻。

土壤電阻率對沖擊電流作用下接地網(wǎng)的暫態(tài)性能有較大影響。隨著土壤電阻率增加，沖擊接地電阻也相應(yīng)增加。但當土壤電阻率較高時，根據(jù)E=ρJ，在相同的電流密度J下，接地網(wǎng)周圍的場強E隨電阻率ρ增加而增加，土壤的擊穿厚度相應(yīng)增加，土壤擊穿引起的火花效應(yīng)也明顯增加強，相應(yīng)地沖擊電阻受電阻率的影響減弱，因此此時沖擊電阻隨土壤電阻率增加而增加的速度下降，并有飽和的趨勢。沖擊電流或雷電流通過接地體流向大地時，接地體呈現(xiàn)的電阻稱為沖擊接地電阻。

2 接地電阻的計算

山地風(fēng)電場接地電阻的計算涉及多個因素，包括土壤電阻率、接地極的數(shù)量和布置和接地極材料等。接地電阻是為了確保系統(tǒng)的安全運行并保護設(shè)備免受雷擊等電力系統(tǒng)異常情況的影響。

一般國內(nèi)項目采用國標《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范（GBT 50065—2011）》，國際項目更多采用IEC標準Wind energy generation systems-Part 24：Lightning protection（IEC 61400-24：2019）進行計算。

風(fēng)電場的接地電阻計算通常涉及土壤特性、接地極的布置/形狀以及電極的長度等因素?；贗EC標準的一般步驟包括以下7步。1）收集土壤參數(shù)。根據(jù)IEC標準，需要收集有關(guān)土壤的參數(shù)，如電阻率。這些參數(shù)將影響接地電阻的計算。2）確定接地系統(tǒng)的類型。確定風(fēng)電場接地系統(tǒng)的類型，例如網(wǎng)狀接地系統(tǒng)或者地網(wǎng)系統(tǒng)。這會影響計算的方式。3）計算水平地網(wǎng)的電阻。對于水平地網(wǎng)，可以使用一般的接地電阻公式進行計算。IEC標準提供了具體的計算方法和公式。4）計算垂直地網(wǎng)的電阻。如果系統(tǒng)包括垂直地網(wǎng)，需要計算垂直地網(wǎng)的電阻。通常需要考慮垂直電極的長度、形狀和數(shù)量。5）考慮接地極的分布?？紤]接地電極的分布，確保它們在整個風(fēng)電場中均勻分布，以取得更好的接地效果。6）考慮接地系統(tǒng)的深度。根據(jù)IEC標準計算接地系統(tǒng)的有效深度，需要考慮土壤的分層結(jié)構(gòu)。7）驗證和優(yōu)化。驗證計算結(jié)果是否符合IEC標準的要求，并根據(jù)需要進行優(yōu)化。

IEC公式的特點是計算每項接地措施后引入一個相互接地電阻，然后在其影響下計算最終的綜合接地電阻。

IEC標準的接地要求采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的接地網(wǎng)，可降低風(fēng)機的雷擊風(fēng)險，提高風(fēng)機的安全性，防止局部接地電阻過高，并提高接地網(wǎng)的均勻性。而這些區(qū)別也帶來了一定的成本差異。IEC標準的接地要求更嚴格，需要使用質(zhì)量更高的接地材料，因此成本會更高。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的接地網(wǎng)需要更多的接地線，因此成本也會更高。

在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)風(fēng)機的具體情況選擇合適的接地標準。對于高風(fēng)險地區(qū)的風(fēng)機，可以采用IEC標準的接地要求，以確保風(fēng)機的安全性。對于成本敏感的風(fēng)機，可以采用國標的接地要求，以降低成本。

3 接地網(wǎng)的工頻電阻特性

大多數(shù)接地系統(tǒng)設(shè)計的標準做法是使用某種形式的計算機軟件進行生產(chǎn)，因為這些軟件能夠準確分析該類系統(tǒng)中通常使用的多個元件間的相互作用。其中一些系統(tǒng)能夠分析接地系統(tǒng)對瞬態(tài)電流的響應(yīng)，例如雷電產(chǎn)生的電流。此類工具通常會給出最準確的結(jié)果。在此類工具不可用的情況下，可以使用如下簡單接地電極配置和組合公式[2]。

3.1 不同接地方式接地電阻的計算

dlt;lt;L時的水平接地體接地電阻如公式（1）所示。

（1）

式中：R為水平接地體接地電阻；ρ為土壤電阻率；L為接地極的長度；a為接地極的等效半徑；d為接地電埋藏深度。

當某個公共點有n條對稱輻射的水平接地體時，如公式（2）所示。

（2）

式中：n為對稱輻射的水平接地體數(shù)量。

在上式中，假設(shè)任意2個相鄰電極間的角度相同，因此在n=2的情況下，電極從公共點向相反方向延伸，所有導(dǎo)體都承載相同的電流。

Lgt;gt;a時的垂直接地極時接地電阻如公式（3）所示。

（3）

設(shè)2個等長的垂直接地極相隔距離為a12，當a12lt;lt;L時，可用公式（4）。

（4）

當a12gt;gt;L時，可用公式（5）。

（5）

設(shè)置n根長度相等的棒以等空間排列在直徑為D的圓上，當Dlt;lt;L時，如公式（6）所示。需注意，其中n根接地棒通過電纜連接。

（6）

式中：D為環(huán)形接地極的直徑；n為接地棒的數(shù)量。

當在直徑為D的圓上以相等的空間排列n根接地棒且地棒間的間距等于或大于桿的長度時，可用公式（7）。

（7）

環(huán)形接地極如公式（8）所示。

（8）

3.2 環(huán)形接地網(wǎng)輔以垂直接地極的計算

在環(huán)形接地網(wǎng)輔以垂直接地極的情況下，環(huán)形接地網(wǎng)接地電阻R1利用公式（8）計算。當n根等長的垂直接地極布置在直徑為D的圓上且接地極間的間距等于或大于桿的長度時，垂直接地極電阻R2利用公式（7）計算。

環(huán)形接地網(wǎng)和垂直接地極間的相互接地電阻R3如公式（9）所示。

（9）

式中：e為自然常數(shù)。

最終接地體綜合電阻R如公式（10）所示。

（10）

式中：R1為環(huán)形接地網(wǎng)接地電阻；R2為垂直接地極電阻；R3為連接點接地電阻；R為環(huán)形接地網(wǎng)輔以垂直接地極時總的接地電阻。

3.3 環(huán)形接地網(wǎng)輔以外延射線的計算

在環(huán)形接地網(wǎng)輔以垂直接地極的情況下，環(huán)形接地網(wǎng)接地電阻R1利用公式（8）計算。輔助設(shè)置n根外延射線，外延射線的接地電阻R2利用公式（2）計算。環(huán)形接地網(wǎng)與布置在直徑為D的圓上的外延射線間的相互接地電阻R3利用公式（9）計算。最終接地體綜合電阻R參考公式（10）。

4 接地電阻的理論計算

接地電阻的理論計算包括3個已知條件。1）接地電阻允許值R≤4Ω。2）土壤電阻率取ρ=2000Ω·m。3）水平接地極采用（-60×6）mm的熱鍍鋅扁鋼，垂直接地極采用（50×50×5）mm、2.5m的長角鋼。還需要外延4根50m射線并布置4口20m接地深井。

計算過程主要采用IEC規(guī)范中明確的公式進行。內(nèi)環(huán)環(huán)形接地網(wǎng)利用公式（8）進行計算，其中環(huán)形接地網(wǎng)直徑D=20m，接地極埋設(shè)深度d=3m。計算可得接地網(wǎng)水平接地電阻為53.1Ω。垂直接地極利用公式（7）進行計算，計算可得接地電阻為157.4Ω。兩者連接電阻根據(jù)公式（9）進行計算，可得35.7Ω。最終得出綜合接地電阻為50.92Ω。

對外接地環(huán)連接導(dǎo)體電阻參考公式（2）進行計算，可得導(dǎo)體接地電阻為125.4Ω，連接電阻為32.23Ω，最終接地電阻為47.8Ω。

外環(huán)環(huán)形接地網(wǎng)參考內(nèi)環(huán)計算方法，綜合接地電阻為18.35Ω。垂直接地極接地電阻為86Ω。主地網(wǎng)接地電阻為14.54Ω。

明顯不滿足接地要求。因此在風(fēng)機基礎(chǔ)外增加4條外延射線和接地深井。

其中外延射線接地電阻參考公式（2）、接地深井參考公式（7）。經(jīng)計算，外延射線接地電阻為37.7Ω，接地深井接地電阻為6.12Ω。

結(jié)果見表2。

表2 IEC公式接地電阻計算結(jié)果

接地電阻計算結(jié)果（Ω）

水平接地體 18.35

垂直接地極 86

連接后 14.54

外延射線 37.7

連接后 11.9

接地深井 6.12

連接后 5.53

5 IEC標準與國標的計算比較

同樣的設(shè)計方案在國內(nèi)已被風(fēng)場采用并通過驗收，根據(jù)國標公式進行計算的結(jié)果見表3。

經(jīng)過比較可以看出2種接地計算方法的主要區(qū)別在于外延射線的接地電阻計算和不同接地裝置直接連接后整體接地電阻的處理。

對于國標，不同接地體間連接沒有特別說明，再一般計算中需要考慮添加并聯(lián)系數(shù)進行折算。此項兩者區(qū)別不大。主要差距為外延射線接地電阻的計算結(jié)果，國標計算下外延射線接地電阻不到IEC標準的一半。同時考察不同外延射線數(shù)量下的計算結(jié)果，見表4。

表3 國標公式接地電阻計算結(jié)果

接地電阻計算結(jié)果（Ω）

水平接地體 19.4

垂直接地極 54.8

連接后 15.93

外延射線 17.08

連接后 9.16

接地深井 5.44

連接后 3.79

當延長外延射線時，接地電阻甚至出現(xiàn)負數(shù)情況。外延射線的增多和加長雖然可以改善接地電阻，但時IEC標準中的計算可能會出現(xiàn)急劇降低接地電阻的情況，甚至出現(xiàn)負數(shù)情況。經(jīng)過多種數(shù)據(jù)計算分析，原因可能是IEC公式僅考慮1～2種接地措施，同時外延射線公式為一點連接的多根射線，更多用于桿塔接地。

經(jīng)初步分析，IEC考慮外延射線與接地體間電容電流所產(chǎn)生的接地電阻。國標計算方法是根據(jù)電阻分流原理計算的，忽略了外延射線與接地體間電容電流的影響。IEC標準計算方法則考慮了電容電流的影響，因此計算結(jié)果更準確。

在實際應(yīng)用中，由于風(fēng)電場經(jīng)常利用匯集線路接地，匯集線路的長度較長，故障電流較大，因此外延射線與接地體間電容電流的影響較為明顯?？梢娀贗EC標準的計算方法更適用于風(fēng)電場外延射線接地電阻的計算。

此外，IEC標準計算方法還考慮了外延射線的形狀對接地電阻的影響。國標計算方法則假設(shè)外延射線為圓形，而實際情況中外延射線的形狀可能為橢圓形或其他形狀。IEC標準計算方法可以根據(jù)外延射線的實際形狀進行計算，因此計算結(jié)果更準確。

國標的計算方法計算簡單，易于掌握，但計算結(jié)果不夠準確，尤其是在外延射線長度較長、故障電流較大的情況下。

IEC標準計算結(jié)果更準確，尤其是在外延射線長度較長、故障電流較大的情況下。但計算復(fù)雜，需要一定的專業(yè)知識。

在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)風(fēng)機的具體情況選擇合適的接地標準。對于高風(fēng)險地區(qū)的風(fēng)機，如風(fēng)機安裝在雷雨頻繁的地區(qū)、風(fēng)機附近有高壓電線或其他危險設(shè)施，建議采用IEC的考慮電容電流的方法進行外延射線接地電阻的計算。因為在這些工程中，外延射線長度通常較長，故障電流也較大，電容電流的影響較明顯。如果采用國標的方法進行計算，可能會導(dǎo)致接地電阻計算結(jié)果不準確，從而影響風(fēng)電場安全運行。

對于成本敏感的風(fēng)機，在確定周圍環(huán)境風(fēng)險性較低的情況下，可以根據(jù)實際情況選擇采用國標的方法或IEC的方法進行計算。如果外延射線長度較短，故障電流較小，可以采用國標的方法進行計算。

6 結(jié)語

隨著風(fēng)電機組容量不斷增大，接地短路電流越來越大，接地裝置對設(shè)備和人身安全的影響也越來越大。

在實際應(yīng)用中，需要進一步進行實地試驗和驗證，外延射線的設(shè)計和布置需要根據(jù)具體的工程環(huán)境和土壤條件來調(diào)整，綜合考慮土壤特性、氣象條件和法規(guī)要求是確保接地系統(tǒng)有效性的關(guān)鍵。

作為國際標準，IEC是國際風(fēng)電項目設(shè)計中的基礎(chǔ)與依據(jù)。本文通過分析其計算結(jié)果并與國標公式進行比較，發(fā)現(xiàn)其算法對外延射線的分析、建模方式與國標差異較大?？紤]國內(nèi)規(guī)范在要求高土壤電阻率的情況下限制了外延射線長度，在實際項目中，增加外延射線對降低工頻接地電阻是行之有效的，但對沖擊電流來說效果有限。

在工程領(lǐng)域中，理論計算和實際應(yīng)用間的差距是常見的。有時，理論模型可能無法完全捕捉到所有復(fù)雜因素，從而造成實際應(yīng)用中的缺陷。在理論計算中，增加外延射線以降低工頻接地電阻是一個實際可行的方法，但對沖擊電流的效果有限。

同時，IEC公式的計算結(jié)果具有一定的指導(dǎo)意義，表明理論模型在某些情況下仍然是有用的，但采用將遠距離外延射線作為降低接地電阻的方案時需要謹慎。在工程中需要綜合考慮各種因素，并根據(jù)具體情況做出慎重決策。

在具體設(shè)計過程中，對于高風(fēng)險地區(qū)的風(fēng)機，建議采用IEC的考慮電容電流的方法進行計算。對于成本敏感的風(fēng)機，在確定周圍環(huán)境風(fēng)險性較低的情況下，可以采用國標的方法進行計算。

本文研究了IEC風(fēng)機接地規(guī)范中的接地電阻公式，并進行理論計算，同時與國標進行了比較，發(fā)現(xiàn)其理論計算在實際應(yīng)用中的缺陷。結(jié)合工程實際可知增加外延射線對降低工頻接地電阻是行之有效的，但對沖擊電流的效果有限。IEC公式的計算結(jié)果具有一定的指導(dǎo)意義，后續(xù)工程應(yīng)謹慎將遠距離外延射線作為降低接地電阻的方案。

參考文獻

[1]鄭明，劉剛，周冰，等.風(fēng)電場防雷與接地[M].北京：中國水利水電出版社，2016.

[2]International Electrotechnical Commission.Wind energy generation

systems-Part 24：Lightning protection：IEC 61400-24：2019[S].Geneva：International Electrotechnical Commission，2019：164-166.