随着我国风电产业的迅速发展，风电总装机在全部发电装机中的比重越来越高。然而风电场利用小时数平均维持在1800小时左右，尚有一定的提升空间，所以降低风电场事故率，保证发电量，提高利用小时数是风电发展中的关键。风力发电机组是陆地上风电场建设投资最大的设备，占风电场总投资的60%左右。由于陆地上风力发电机组大多布置于空旷的地区甚至高海拔的山区，加之其构造特点，使其极易遭受雷击。一旦遭到雷击，雷击引起过电压将造成风机内部电气一次设备的击穿，电气二次设备元件的烧毁，更换受损部件的费用巨大，同时还将损失因事故造成的发电量。所以雷电危害是风电场安全运行、经济生产的严重威胁，为减小这一威胁，风电场防雷接地设计是关键。
1 陆地上风电场防雷接地的特点
陆地上风电场占地面积大，所处地区基本为平原和山地，所以陆地上风力发电机组的安装位置基本暴露于雷击之中。而陆地上风力发电机组属高建筑，轮毂高度在100 m以上，叶尖高度可达150 m,所以极易遭受雷击。据统计，全世界每年都有1%～2%的风机叶片遭受雷击，而叶片材料多为复合材料，没有承受直接雷击的能力和传导雷电流的功能。雷电流必须通过风机本身的防雷引下装置流入风机平台下的接地系统，散流于大地。因此，良好的接地系统是保证雷击过程中风力发电机组安全运行的基本条件。
根据相关规程要求，陆地上风力发电机组的接地系统包括风机和箱变的工作接地、系统接地、防雷接地和保护接地，其工频接地电阻值按风机制造商要求须小于4 Ω,冲击接地电阻须小于10 Ω。陆地上风电场场址通常接地条件较差，常规的接地方设计方案很难使风力发电机组的接地系统满足规程规范的要求。因此，陆地上风电场的防雷接地设计可考虑采用高效、可靠的接地降阻材料，以及优化的接地设计方案。
2 陆地上风电场防雷接地的设计思路
陆地上风力发电机组接地可采用基础内部设置接地网与基础外部的风机平台接地网连接，即风力发电机组的内部接地网与风机平台接地网连接起均压的作用，而风机平台接地网中可设置垂直接地极，起疏散雷电流的作用。根据规程规范要求，最终连接在一起的接地网须满足接地电阻不大于4 Ω的要求。
风力发电机组基础内部的接地网是以风力发电机组基础中心为圆心，根据不同基础大小设置半径不同的3圈环形水平接地体，材料可选用-60×6 mm的热镀锌扁钢。风力发电机组基础外部的风机平台接地网则是在基础内部的接地网的基础上，以风力发电机组基础中心为圆心，半径应大于风机基础，向外设置1圈环形水平接地体，最内圈环形水平接地体可敷设在风机混凝土基础外开挖的基坑内，半径以及形状可根据风机基础的开挖情况和现场情况而定。在改环形水平接地体上每隔约10 m左右设置一根L50×5×2500 mm的热镀锌角钢，局部遇到岩石处，以打到岩石为止。
风力发电机组基础内部的接地网引出4处接地线与塔筒内部接地线可靠连接，安装在风机平台处的箱变接地网引出2处接地线与风机平台接地网可靠连接。
2.1 单台风力发电机组接地理论计算
根据规程规范中以水平接地极为主边缘闭合的复合接地网的工频接地电阻值计算公式：
式(1)中：
R0为地网基础接地原电阻值;
S为地网面积;
ρ为土壤电阻率;
计算出风机平台接地电阻值。
当接地电阻值≤4 Ω时，接地电阻满足要求。
当接地电阻值＞4 Ω时，则采用在风机平台接地网每隔约10 m左右设置垂直电解地极可使得基础地网的接地电阻大幅度下降。
根据等效半球体接地电阻的计算方法,计算半球半径：
式(2)中，r为等效接地半径。如图1所示
在等效接地半径r的范围内，从风机基础内部的接地网外圈通过水平接地体与基础外部的风机平台接地网相连，在风机基础内部接地网外引的水平接地体和风机平台接地网中埋设接地上相隔一定的距离分别放置垂直电解地极，电解地极中的电解物质可向四周渗透，将风机基础周围的土壤进行改善，极大地降低了风机基础周围的土壤电阻率，使得风机平台接地网的接地电阻大幅度下降。故在风机平台接地网设计中，对于高土壤电阻率的风力发电机组基础，可通过在外引接地线和风机平台接地网中设置垂直电解地极方式来进行降低接地电阻值。
2.2 单台风机平台接地网施工设计方案
风机平台接地网采用水平接地体、电解地极为主，垂直接地极为辅组成复合接地网。水平接地体采用-60×6 mm热镀锌扁钢，垂直接地极采用L50×5×2500 mm热镀锌角钢。利用风力发电机组基础作为自然接地体，根据现场实际情况及土壤电阻率敷设人工接地网。
以风机中心为圆心设置环形水平接地体，在距以风机中心为圆心半径约18 m处，设置一圈接地均压环，在该均压环上每隔约10 m打一根L50×5×2500 mm的热镀锌角钢。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，水平接地网敷设深度根据规程规范要求不应小于0.8 m，水平接地网敷设时如遇到岩石则敷设到岩石为止。
在每个风力发电机组接地装置按设计要求完成后，根据接地要求及现场实际情况，向基础外敷设2～3条外延接地线，并在接地线上埋设电解地极。电解地极的埋设深度不应小于0.8 m，将地极放置就位后与预留的水平接地体可靠连接。连接完成后在电解地极放置处倒入专用回填材料，将电解地极均匀覆盖，最后用开挖土回填夯实。
在风机平台接地网施工时，各交叉点均应双面可靠焊接，不允许虚焊、假焊现象，焊接处采取涂防腐漆或沥青等防腐蚀措施。
每个风机平台接地网敷设完毕后，应对其接地电阻值进行测量，确保满足接地电阻满足规程规范的要求。
2.3 陆地上风力发电机组防雷设计优化
风电场防雷接地设计除上述内容外，还可根据已投产风电场的运行经验，对风力发电机组的防雷设计进行有针对性的优化：
(1）改善风力发电机组叶片防雷系统。
(2）通过改变接地方式，将防直击雷的接地与防感应雷的接地分开。
(3）在易遭到直接雷和反击雷的击关键部位加装避雷器和浪涌保护器。
(4）保证风力发电机组设备接地线与风机平台接地网的可靠连接。
3 陆地上风电场升压站防雷接地的设计思路
3.1风电场升压站防雷接地
风电场升压站防雷接地首先要熟悉升压站的总平面布置图，主要从以下几个方面进行分析：
（1）熟悉升压站各道路、各建筑物布置，明确升压站面积等参数。
（2）升压站所在位置的地形地貌：需要回填的区域，边坡的位置，坡度的急缓。
（3）如果场内电阻率过高，需要考虑引外路径。注意所进道路是否已征地，附近是否有水渠和村庄，水源是否为保护水源。
3.2 土壤电阻率测量报告
仔细阅读土壤电阻率测量报告，重点关注土壤电阻率成果表。确定各测线位置，地表湿度，土壤电阻率。接地电阻计算软件可以计算出垂直和水平方向土壤电阻与地网综合工频电阻，从而决定是否需要外引地网、换土、加降阻、钻深井等措施
3.3 电气
电气提资主要为电气主接线图和短路电流计算表，用以计算短路电流与阻抗，从而校验接地体的热稳定截面。
注意零序阻抗的计算要根据最不利的情况来选取。如在云霄风电场中，#1主变容量为31.5MVA，远景的#2和#3主变容量为50 MVA 与40MVA，当发生三相短路时，最糟糕的情况是最大容量变压器发生三相短路，故计算零序阻抗的时候Se=50M。
3.4建筑
了解建筑剖面图与屋面图，主要用于建筑防雷提资，以设置防雷接地卡、接闪网、接闪器。
3.5 建筑防雷
3.6 制图步骤
（1） 确定建筑防雷等级。一般风电场升压站属于三类防雷建筑物，根据文献[1]
可知第三类防雷建筑物上的接闪网、接闪器应沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设，并应在整个屋面组成不大于20m×20m或24m×26m的网格。当建筑物高度超过60m时，首先应沿屋顶周边敷设接闪带，接闪带应设在外墙外表面或屋檐边垂直面上，也可设在外墙外表面或屋檐边垂直面外。接闪器之间应互相连接。
（2） 专设引下线不应少于2根，并应沿建筑物四周和庭院内四周均匀对称布置，
其间距沿周长计算不应大于25m。当建筑物的跨度较大，无法在跨距中间设引下线时，应在跨距两端设引下线并减小其他引下线的间距，专设引下线的平均间距不应大于25m。
（3） 建筑物宜利用钢筋混泥土屋面、梁、柱、基础内的钢筋作为引下线和接地装置，当其女儿墙以内的屋顶钢筋网以上的防水盒混凝土层允许不保护时，宜利用屋顶钢筋网作为接闪器，以及当建筑物为多层建筑，其女儿墙压顶板内或檐口内有钢筋且周围除保安人员巡逻外通常无人停留时，宜利用女儿墙压顶板内或檐口内的钢筋作为接闪器，同时符合以下规定：
1）利用基础内钢筋网作为接地体时，在周围地面以下距地面不小于0.5m深，每根引下线所连接的钢筋表面积总和应按式（1）计算：S≥1.89kc2
1）其中，kc为分流系数。
2）当在建筑物周边的无钢筋的闭合条形混凝土基础内敷设人工基础接地体时，接地体的规格尺寸应按下表规定确定。
表1 第三类防雷建筑物环形人工基础接地体的最小规格尺寸利用柱子基础的钢筋昨晚外部防雷装置的接地体并同时符合下列规定时，可不另加接地体（垂直接地极）：
a) 利用全部或绝大多数柱子基础的钢筋作为接地体。
b) 柱子基础的钢筋网通过钢柱，钢屋架，钢筋混泥土柱子、屋架、屋面板、吊车梁等构件的钢筋或防雷装置互相连成整体。
c) 在周围地面以下距地面不小于0.5m深，每一柱子基础内所连接的钢筋表面积总和大于或等于0.37m2。
3 直击雷保护装置
3.7位置确定
直击雷过电压保护可采用避雷针或避雷线，它们的保护范围应覆盖需保护的设施。针对风电场升压站，设置保护装置的要点主要有以下几点
（1） 主要对屋外配电装置（包括组合导线和母线管廊）、高建筑物设直击雷保护装置。
（2） 主厂房、主控制室和配电装置室一般不装设直击雷保护装置；雷电活动特殊强烈地区宜装设直击雷保护装置。为保护其他设备而装设的避雷针，不宜装在独立的主控制室和35kV及以下变电所的屋顶上。但采用钢结构或钢筋混凝土结构等有屏蔽作用的建筑物的车间变电所可不受此限制。
（3） 主厂房如装设避直击雷保护装置或为保护其他设备而在主厂房上装设避雷
针，应采取加强分流、装设集中接地装置、设备的接地点尽量远离避雷针接地引下线的入地点、避雷针接地引下线尽量远离电气设备等防止反击的措施。
（4） 主控室、配电装置室和35kV及以下变电所的屋顶上如装设直击雷保护装置时，若为金属屋顶或屋顶上有金属结构，则将金属部分接地；若屋顶为钢筋混凝土结构，则将其焊接成网接地；若结构为非导电的屋顶时，则采用避雷带保护，改避雷带的网格为8m~10m，每隔10m~20m设引下线接地。
（5） 露天布置的GIS外壳不许装设直击雷保护装置，但应接地。
（6） 独立避雷针（线）宜设独立的接地装置。在非高土壤电阻率地区，其接地电阻不宜超过10Ω。当有困难时，该接地装置可与主接地网连接，但避雷针与主接地网的地下连接点至35kV以及下设备与主接地网的地下连接点之间，沿接地体的长度不得小于15m。
（7） 独立避雷针不应设在人经常通行的地方，避雷针及其接地装置与道路或出入口等的距离不宜小于3m，否则应采取均压措施，或铺设砾石或沥青地面，也可铺设混凝土地面。
（8） 独立避雷针、避雷线与配电装置带电部分间的空气中距离以及独立避雷针、
避雷线的接地装置与接地网见的地中距离。
a) 独立避雷针与配电装置带电部分、电气设备接地部分、架构接地部分之间的空气中距离，应符合式（2）的要求：
Sa≥0.2Ri+0.1h （2）
式中，Sa——空气中距离，m；
Ri——避雷针的冲击接地电阻，Ω；
h——避雷针校验点的高度，m。
b) 独立避雷针的接地装置与接地网间的地中距离应符合式（3）的要求：
Se≥0.3Ri （3）
式中，Se——地中距离，m。
c) 避雷线与配电装置带电部分、电气设备接地部分以及架构接地部分间的
空气中距离应符合下列要求：
对一端绝缘另一端接地的避雷线：
Sa≥0.2Ri+0.1(h+∆l) （4）
式中，h——避雷线支柱高度，m；
∆l——避雷线上校验的雷击点与接地支柱的距离，m。
对两端接地的避雷线：
Sa≥β’[0.2 Ri +0.1(h+∆l)] （5）
式中，β’——避雷线分流系数；
∆l——避雷线上校验的雷击点与最近支柱间的距离，m。
避雷线分流系数可按式（6）计算：
β′=τR12.4(l+ℎ)
1+l2+ℎ6.2(l2+ℎ)1+≈ll2+ℎ
2+∆l+2ℎ （6）
式中，l2——避雷线上校验的雷击点与另一端支柱间的距离，l2=l’-∆l，m；
l’——避雷线两支柱间的距离，m；
τt——雷电流泊头长度，一般取2.6μs。
d) 避雷线的接地装置与接地网间的地中距离，应符合下列要求：
对一端绝缘另一端接地的避雷线，应按式（3）校验。对两端接地的避雷
线应按式（7）校验：
Se≥0.3β’Ri （7）
e) 除上述要求外，对避雷针和避雷线，Sa不宜小于5m，Se不宜小于3m。
3.8 制图步骤
（1） 以最新的电气总平图为底板，删除不必要表示的导线、耐张串等，仅保留构
架、建筑及道路等。
（2） 根据保护范围计算书制作保护范围表，可以从计算书选择性粘贴为ACAD
图元。折线法避雷针保护范围计算书见附件2。
（3） 根据保护范围表画出保护范围，画保护范围时确定保护高度。
3.9 注意点
（1） 不同保护范围用不同层、不同颜色。根据保护范围的复杂情况酌情分几张图
来画。
（2） 注意针与针，针与保护物是否有高差。
（3） 使用阶梯算法时要画出断面。
4 接地平面布置
照明设计是相对简单的设计，也是电气设计的基础。主要数据参考中华人民共和国电力行业标准DL/T 5390-2007火力发电厂和变电站照明设计技术规定。
4.1 水平接地极材料的选择
接地计算书计算得出合适的水平接地极材料。
4.2 制图步骤
（1） 以防雷保护范围图为底板，关掉保护范围的层。
（2） 根据接地计算书的结论布置网格，有条件的话尽量要在围墙外设一圈地网。
（3） 根据规范结合实际情况设计升压站大门入口处的“帽檐式”均压带
（4） 对网格进行适当的调整、剪切使地网不穿建筑物。
（5） 对地网边缘进行修圆角，圆角半径不小于网格间距的一半。
（6） 在避雷针、避雷器及建筑物的周围打垂直接地极。在围墙外的地网打垂直接地极。
（7） 计算升压站内综合电阻，如果电阻过高，需要沿沟渠或征地向外引接地极。
（8） 统计材料。
4.3 注意点
（1） 不同保护范围用不同层、不同颜色。根据保护范围的复杂情况酌情分几张图
来画。
（2） 注意针与针，针与保护物是否有高差。使用阶梯算法时要画出断面。
（3） 避雷针、避雷器的集中接地装置打2.5m
长的垂直接地极。围墙外的地网一
般情况也打2.5m的垂直接地极，土壤情况差的站打6m的垂直接地极，间距都是约20m左右。
（4） 人工接地体在土壤中的埋设深度不应小于0.5m，一般采用0.8m。并宜敷设
在当地冻土层以下。
（5） 围绕各设备基础或建筑物基础敷设的环形水平接地极离各建筑物或设备基
础的距离不宜小于1.5m。
（6） 应结合三通一平敷设接地极，接地极如遇设备基础可从旁边绕过基础。水平
接地体的间距约为8m。
（7） 独立针要通过测量井与地网连接。接地测量井两端导线需与水平接地极相接。
3 结语
为适应我国风电产业发展的特点，保证风电场运行后能带来预期的经济效益，风电场防雷接地设计的合理、可靠是风电场各个设计环节中的关键因素之一。但因风力电发电机组的构造特殊，风电场所处自然环境恶劣，为避免风电场因雷击故障造成的损失，应重视风电场的防雷设计工作。因此，在风电场防雷接地设计中，因根据各个风电场的实际工程情况，给予针对性的设计，旨在促进风电产业获得良好的社会、经济效益。
防雷安全解决方案：
11、厂房防雷设计整改方案
12、消防报警系统防雷设计方案
科锐技术声明:本解决方案仅供参考作用。
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