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风电场接地施工方案
风电场接地施工方案
3.1风电场区域土壤电阻率测量与分析报告
在进行风电场接地系统的设计之前,必须了解接地系统所处位置的土壤电阻率和大地结构。
在实际中很少有均匀的土壤,我们测量得到的是土壤的等值电阻率或土壤的视电阻率。
被测视电阻率取决于电流流经范围内的各层地质的电阻率。
应该强调指出,除均匀地质情况外,电阻率测量并不是测量大地中任何特定地质的真电阻率,而是测量被测土壤所具有的各种不同地质电阻率的加权平均值。
表层物质的电阻率比深层物质的电阻率对读数的影响更大。
根据对测量结果的分析可以得到土壤的地质结构,这对接地系统的设计非常有利。
一般来说,土壤的结构可以近似分为均匀土壤、水平分层和垂直分层土壤三种,水平分层和垂直分层的土壤结构如下图所示。
接地系统的设计基本要达到两个要求,一是接地电阻满足要求以保证设备的安全运行,二是接地装置之上的地表面的接触电压和跨步电压满足人身安全的要求。
在接地极或邻近接地极附近的大地表面,电位梯度主要是上层土壤电阻率的函数,而接地极的电阻却主要是深层土壤电阻率的函数,在接地装置的尺寸非常大时更是如此,接地极埋在电阻率极高的上层土壤的极端情况除外。
发、送电线路的工频参数受不同电阻率的各层土壤的影响,而雷电等冲击波的大地回路阻抗实际上仅受上层几米土壤层的影响,这主要是由于高频时大地的趋肤效应引起的。
上述情况说明需要对表层和深层土壤同时进行电阻率测量。
1、电阻率的测量方法
1)测量方法介绍
探测地质结构的电阻率测量技术一般以地下物质对电流的传导为基础,而电流传导取决于这些物质的含水量、密度和化学成分。
在电阻率测量中,电流通过两个电流极引入被测区域的地中,然后测量两个电位极之间的电位差,以确定深度为极间距离的土壤层的平均电阻率。
然后根据电极之间的距离和平均土壤电阻率来分析和确定地下的地质情况。
测试大范围土壤的电阻率的比较理想方法是四极法。
如下图所示为测量土壤电阻率的四电极法原理图,它是欧姆定律的现场应用。
测量时在地面上插入四个电极A、B、C、D,埋入深度不大于1/10极间距离a。
用稳压电源向外侧电极A和B施加电流I,电流由电极A流入,由电极B返回电源。
这时外电极产生的电流场将在内电极上产生电势,可以用电位差计测量内电极C和D间的电位差,U/I即为电阻R。
测量得到不同电极间距时对应的视土壤电阻率,将测量得到的视电阻率数据与间距的关系绘成曲线,即可判断该地区的地质结构,还可判断出各层的电阻率和深度。
在工程实践中,采用四极法测量电阻率时一般选择下面两种形式电流极和电位极布置方案。
等间距或温纳(WENNER)电极布置,如下图所示。
以极间距离表示的土壤视电阻率计算公式简化为:
ρa=2πaR
施兰伯格电极布置,如下图所示,土壤电阻率计算公式简化为:
ρa=πd2R/D
采用施兰伯格电极布置的主要优点时测量时只需移动电流极,电位极仍保持在原来的位置不动。
d/D的比值一般限制在3-30的范围内。
2)本次测量主要仪器介绍
本次测量仪器为重庆地质仪器厂生产的DDC-6多功能直流电法仪,采取施兰伯格电极布置方案,供电电压为DC180V~360V,其操作简便,精度高,可对自然电位漂移及电极极化进行自动补偿。
主要仪器如下表:
DDC-6数字电阻率仪(台)
铜电极(个)
电池箱(套)
万用表(个)
1
4
2
1
野外工作方法技术:
每个勘察点均通过测量确定测点位置,测点与勘探点重合。
遇障碍物采用平行偏移的方法。
一次性布极完成之后对电极接地情况进行检查,对于接地电阻较大的电极采取就近移位或浇水的办法来降低,直至两电极之间接地电阻检查小于100欧姆时才开始测量。
测量过程中对异常值点进行多次重复测量,以消除干扰,从而确保采集数据真实可靠。
根据具体工作的要求,设计供电极距AB/2及相应测量极距MN/2的变化序列,如下表。
每改变一次供电极距,测量一次
及I,计算相应的K值及视电阻率值ρa,绘制每个测点的ρa与AB/2的关系曲线(即电测深原始曲线)。
表供电极距AB/2及相应测量极距MN/2变化序列
AB/2(m)
1.5
2.1
3.0
4.5
6.0
9.0
MN/2(m)
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
AB/2(m)
15.0
21.0
30.0
45.0
60.0
75.0
MN/2(m)
5
5
5
5
5
5
2、电阻率测量数据的分析方法介绍
在风电场接地系统设计时,我们希望通过现场测量得到是土壤的视电阻率、土壤的分层结构(包括各层的电阻率及厚度),以便更好地进行设计、分析和计算。
在地球的重力作用下,地壳的地质情况一般是由各种水平层状的岩层组成。
如沉积岩在沉积过程中受重力的作用,在最下面形成砂砾岩层,其上是细砂和黏土层。
如下图所示为构成地下地质的n层水平层状介质剖面图。
1)两层土壤结构的地质参数计算
在实际计算土壤的等值电阻率时,一般将地下地质看成由两层或三层的水平层状结构的模型。
如下图所示为两层介质构成的地质剖面图,其主要地质参数包括:
上层土壤电阻率ρ1、下层土壤电阻率ρ2、上层土壤厚度h。
在工程应用中,可以采用下面方法来近似的表示视电阻率ρa与其他各量的关系:
ρa=ρ2-(ρ2-ρ1)(2-e-βa)e-βa
式中β为视电阻率曲线系数,一般可以采用下式近似计算:
β=δh
式中常数δ为上下两层地质结构的土壤电阻率的函数,对应不同的电阻率比值的常数由下表查出。
ρ1/ρ2
100
10
1
0.2
0.1
K
-0.98
-0.82
0
0.67
0.82
δ
0.50
1.09
1.72
1.77
5.00
我们可以先从实测的电阻率随极间距离变化的曲线ρ=f(a)确定ρ1和ρ2,即取ρ=f(a)曲线上a值很小和很大时的两个比较平坦段的ρa值作为上下两层的土壤电阻率值。
根据测试的(ρa,a)数据对由上述的ρa关系式求得β,则可从上面的β关系式求得上层土壤的深度h。
2)多层土壤结构的地质参数计算
三层水平构造的地质模型如下图所示。
这时的视电阻率与三层土壤的真电阻率,第1层和第2层的厚度h1和h2,以及测量时的电极间距a这6个变量有关。
三层及三层以上的土壤结构的参数的确定是相对复杂的过程,需要通过计算机软件进行数值计算,通过计算机软件可以很方便、很快的确定多层土壤结构的参数。
3、季节因素对土壤电阻率的影响分析结果
接地系统的电气参数决定于所处的土壤情况。
而季节因素将改变土壤的电阻率。
在雨季,风电场接地系统所处的土壤,由于雨水的渗入,地表一层土壤的电阻率将比干燥时降低很多倍。
而冬季对土壤的冰冻作用将导致土壤地表层的电阻率明显升高。
对土壤电阻率为200Ω•m的均质土壤进行研究,结果是一年内表层土壤的电阻率在10-5000Ω•m的范围内变化。
即10-200Ω•m为受降雨的影响结果,其导致土壤电阻率的下降;200-5000Ω•m为受冰冻和干旱影响的结果,其导致土壤电阻率的升高。
同时考虑夏季干旱期的影响,可以认为风场土壤表层在几米厚度范围内受季节因素影响,其土壤电阻率在一定范围内变化。
在电力行业标准DL/T621-1997《交流电气装置的接地》中,规定季节系数为考虑季节变化的最大季节系数值。
处理季节因素对季节系数影响的通常做法是根据测量时的气候条件及土壤性质确定合适的季节系数,将季节系数与测量得到的等值电阻率相乘得到用于接地设计的实际土壤电阻率。
这种做法明显存在欠妥之处,即受季节影响的土壤其实只是表层土壤,在雨季或冰冻季节,深层土壤很难受到影响。
因此正确的处理方法是将考虑季节影响的表层土壤和下层未受季节影响的土壤处理为双层土壤,通过数值计算来分析季节因素对季节系数的影响。
因为本次勘测时,地表的冻土尚未融化,可将实测值直接作为季节影响值,按季节影响修正后土壤分层结构参数如下表所示。
4、风电场土壤电阻率总体评价及接地施工建议
1)从抽测的电阻率数据看,场区表层受冻土影响及碎石层影响电阻率较高,深层电阻率逐步降低。
2)接地降阻设计形式应以复合水平地网为主,更重要的是设计用电阻率一定要考虑季节影响系数。
另外进行土壤分层建模时尽量首层要保证一定厚度,避免冻土影响。
复合水平地网的垂直地极可采用复合接地线工艺和深井接地体施工技术。
3)考虑到地下水富含电解离子的降阻作用,虽然本次抽查勘测没有发现地下水赋存区,但从经验看,地下水赋存区肯定是存在的;在此高土壤电阻率地区应该努力寻找地下水赋存区,充分利用深水井接地极的降阻作用。
因此设计一定的深水井接地极也是必要的。
深水井接地极的具体安装定位应在施工时通过网格扫描方式确认。
深水井接地极采用较大长度的深井接地体技术。
3.2施工工序施工方案
风机接地网由水平接地体、垂直接地体、复合接地线、深井接地极构成,风机内外圈及连接线均采用60×6热镀锌扁钢,深埋0.8米,同时在水平接地体上安装复合接地线,间距不小于长度的二倍,扁钢与扁钢之间采用3面焊接,扁钢与扁钢搭接为扁钢宽度的二倍,在焊接口处刷沥青漆防腐,回填方式采用在扁钢0.3×0.2米范围内,使用原土与降阻剂掺混方式进行回填,此回填范围外的沟槽部分采用原岩土进行回填。
辐射的四条外引采用50X4热镀锌扁钢同时在外引接地线上安装20米及30米深井,箱变接地对角安装2根2.5米长的¢50热镀锌钢管。
详见施工工艺图。
3.3主要采用的接地施工方法
1、深井技术
1)深井接地技术简介
土壤的电阻率通常沿纵深和横向分布都是不均匀的,就纵深来说,不同深度土壤的电阻率是不同的。
一般接近地面几米以内的电阻率相对要高些,并且不稳定,随季节气候的变化而变化,土壤越深越稳定。
特别是在高土壤电阻率及不能用常规方法埋设接地装置的地区,采用长垂直接地极或深井接地与主地网相连是一种有效降低接地电阻的方法。
在有地下含水层的地方,接地极可能深入穿透水层,这时降阻效果将更好。
深井接地不受气候、季节条件的影响。
接地井由于增加接地极的直径(接地棒加上回填低电阻率材料)而能明显降低总体接地电阻。
如果接地井与地下水层相连,则将降低接地电阻的季节变化,同时增加电极的通流,而不导致电极过热或使接地井中的回填材料变干。
深井接地必须配合使用低电阻率材料才能取得较低的接地电阻。
回填材料可以选用高导电率的黏土和水组成的泥浆。
由于回填材料能从周围环境中吸收湿气,接地井不需要任何维护也不会变干。
深井接地极安装深度范围为3-300m,直径110-150mm,扩散范围理论推算10米,外形尺寸如下图所示。
深井接地极能突破浅层的高电阻率屏障,充分利用深层土壤相对低电阻率区域,不受冬季冻土及夏季干旱的影响,能有效将雷电荷、电力故障电荷泄放到地层深处。
2)深井接地体的核心技术
第一,应用专业勘测和分析技术,确定深井接地体的安装位置。
深井接地体的施工成本较高,确定深井接地体的安装位置并保证其技术指标,是深井接地技术成功应用的前提。
如前所述,不均质土壤分水平分层和垂直分层两种类型,各层土壤的真电阻率有很大差异,只有通过详细的视电阻率勘测及科学分析,了解土壤结构参数,获得低电阻率岩层所处的位置和厚度,然后将深井接地体的有效部分安装在该层,就能够获得理想的深井接地电阻技术指标。
可见,对土壤结构的勘测,通过分析计算掌握低电阻率区域的位置,是成功应用深井接地技术的重要保证。
第二,深井接地体的接地电阻计算,依靠复杂的计算机科学计算技术。
深井接地体穿过了各层电阻率土壤,如下图所示。
分布在各层土壤中相应单元接地电
阻不是简单的并联或叠加关系。
各层不同的土壤电阻率将导致深井接地体在各层中分布单元的电流密度不同。
比较合理的假设是认为接地体散流的电流密度与土壤电阻率成反比。
各层电流密度
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