引言
全球能源随着经济的发展不断消耗，能源转型迫在眉睫，低碳经济成为行业可持续发展的前提。2020年，全球可再生能源净装机容量增长4%， 接近200GW。风力和水力发电增量几乎占到全球新增发电总容量的90%，创了全球可再生能源增量的新纪录。随着风电行业的加速发展，十四五”到“十五五”时期，我国东、西部风电装机的分布将更为均衡，补贴退坡，电价下调，陆上风电将全面进入到平价化阶段。在风电抢装的大环境下，在复杂的工程地质条件下仍能满足接地设计要求成为不可避免的问题。
一、土壤情况概述
某风电场工程场地地势较为开阔，地势稍有起伏，场地内分布大小规模不一的小型冲沟，总体呈戈壁荒漠景观。地质主体以卵石为主，表层松散，下部密实，粒径主要为2.0～5.0cm，最大粒径大于200cm，卵石的原岩成分主要为石英砂岩、砂岩等，充填粉细砂及粉土，该状况在场区区内普遍分布，整体上呈北侧粒径较大，向南逐渐变小，厚度大于20.00m。地下水文较深，在勘探过程中20m范围内未见地下径流。经过勘察报告中土壤电阻率结论为：
1、由于拟建厂区表层卵石比较干燥，颗粒较大，且充填物较少，按通用测试方法，电阻率仪器显示AB电极开路，本次测试时，在每个接地电极处，开挖边长约20cm，深20cm的坑，再向插电极的坑内浇注3〜4L水后，进行电阻率测试，釆用四级等距法，获得现场土壤电阻率测试数据。
2、在各向同性的岩土层中测量时，从理论上讲，无论电极装置如何， 所得的电阻率应该相等。但实际工作中所遇到的地层既不同性又不均匀，所测得的电阻率为视电阻率，是不均匀体的综合反映，结合季节变化和地下水对电阻率值的影响，在各风机位接地网设计中，釆用土壤电阻率宜适当增加。
3、随着地层中含水量和温度的变化，对该区域岩土体的电阻率值产生影响。通常，温度降低，含水量变小，岩土电阻率增大，在设计时须考虑此因素。
土壤情况分析：
该地区土壤属于典型的漠土特征，土壤电阻率随深度而逐渐降低，呈现收敛状态。4m以上表层土壤电阻率由极高（10000Ω·m以上），急剧下降趋势，但最终也呈现较高值（5000Ω·m以上）；4m到6m区间土壤电阻率下降较为平缓，几乎相同；9m到14m区间下降速度较为明显，呈现3000Ω·m以下值；14m以下仍持续下降，但下降速度降低。
二、电气接地电阻要求
本次工程的接地项目可分为三大分项考虑：风机及箱变接地，杆塔接地及升压站/开关站接地。
根据GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》的要求，对于风力机组变接地网电阻值要求不大于4欧。集电线路杆塔接地在高阻地区的阻值要求不超过30欧即可。
对于110kV升压站，满足R≤2000/IG，（计算用经接地网入地的最大接地故障不对称电流有效值，根据接入系统报告110kV的三相短路电流11.7kA），根据此公式电阻大概0.17欧，达到阻值此成本太高。4.2.1说明，当接地网的接地电阻不符合上式时，可将接地网地电位升压至5kV，可按照R≤5000/IG，根据此公式电阻大概0.427欧。
对于申源35kV开关站，根据对不接地或高阻接地系统电阻计算公式R≤120/Ig（计算用的接地网入地对称电流，大概200A），根据计算结果，申源站整体约0.6欧。
由以上接地电阻要求值与上万欧的土壤电阻率对比来看，本次工程的接地工程将是一个相当艰巨的工程，其投入的经济成本及施工难度都将是巨大的。
三、接地网设计分析
1.对于单台风机和箱变的接地设计。
（1）通常做法，在风机基础外1m以外，箱变基础外1m以外敷设水平接地体，之后再将风机及箱变之间地网相连（连接接地体需大于15m），本次风机的基础半径是9米，外部接地环半径按照11米算，基础内均压环半径6m，水平接地体用量大概175m左右。冻土层1m左右，接地体埋深1.2m。用CDEGS接地软件计算，此接地方式电阻值在200欧左右。
（2）随着在单台风机处将接地网面积的增加，接地电阻会随之降低，通过用软件模拟，当每台风机接地网水平接地体材料量达到1100m左右的用量后，单台风机的接地电阻可达到4欧以下的要求。
2 、风场各风机机组变接地网相连接构成全场接地网
当单台风机及箱变地网阻值难以降低时，可采取将单台风机及箱变地网与相邻集电线路杆塔地网相连（连接接地体长度需大于15m），杆塔之间地网再相连，最终全场风机箱变地网与杆塔地网彼此相连形成一个全场地网。此种方法相当于每台风机及箱变地网/杆塔地网均被扩大，可最大程度的降低接地电阻，更容易使雷电流和故障电流泄散入大地，同时作为等电位导体与电缆的铠装层一起连接各地网，使各台风机及箱变保持相同电位，避免因各种情况引起的电压差损害电气设备。
通过按照此接地方案，通过软件模拟远新地网的接地电阻可降到2欧左右，同时满足杆塔及风机接地电阻要求。
此方案的优势在于在解决了风机接地的同时，杆塔接地的问题也同时被解决。
施工时需要注意：根据GB 50169-2016《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》中要求，风力发电机组群内的各风机接地网相连接时，各接地网间的接地线不应少于2条，同时各接地网间需要设置接地检查井。
3、 升压站接地
该工程升压站面积较小，其降阻难度大，若同样采用风机地网彼此相连的方法，与风场及杆塔整体形成的接地大网相连，能达到一定的降阻效果，阻值可达到2欧左右，可是其接地电阻要求值为0.427欧，若升压站与风场地网整体相连后整个大地网均达到0.427欧的要求，付出的代价会相当大，固推荐升压站部分接地网为独立的接地网，其接地网阻值需不大于0.427欧。
主要的设计思路是：
（1）利用最优土壤，在允许范围内设置合适深度的垂直接地极，并采取降阻措施。根据土壤分析，考虑到环境、经济效益、电气特点等多方面因素，可知垂直接地极是降阻的主要部分。垂直接地极深度应在20m左右为最优选择(勘探报告中20m以上未见地表径流，因此对环境无影响)。本方案考虑使用深度为20m的深接地装置，每个垂直接地极的距离相隔20m，并在垂直接地极周围填充直径非定型降阻模块。
（2）在局部水平接地极方面采取降阻措施；站内采用5mx5m方格型式，降低跨步电压和接触电压。站外扩展20mx20m方格，站最外两圈范围水平接导体周围使用非定型降阻模块，降低接地电阻。
设计草图如下：
四．接地材料选用
1.镀铜材料
（1）根据勘探报告，土壤呈若碱性，其中的Cl-对热镀锌材料具有中等腐蚀。
（2）某县属典型大陆性暖温带荒漠气候，光照充足、热量丰富，年气温35ºC以上的占60天以上，此时地面温度达到60ºC以上，因金属锌的惰变特性，高温导致热镀锌材料的腐蚀加速。因此接地材料不能作为该地区的接地材料；
（3）风机和箱变基础为混凝土，根据IEC62305-3标准：在接地系统中，除材料本身的腐蚀因素外，还存在着相连接的导体系统本身的电化腐蚀，即导体表面流动的伽伐尼电流。钢在混凝土中的电位和铜在接地系统中的电位相似，但和在接地系统中的热镀锌钢具有活跃的伽伐尼电流，其电位相差1V左右。当接地系统和在混凝土中的钢相连时，接地系统的材料适合用纯铜、镀铜材料或不锈钢材料，而不能使用热镀锌材料。
由上而知，热镀锌材料不适合作为该风电场的接地材料，而铜材价值较高又容易被偷盗，不锈钢材料导电性存在缺陷，建议采用性价比最好的镀铜接地材料作为接地导体。
若采用镀铜材料，结合接地电阻的结算，建议水平接地体采用Φ12镀铜钢，垂直接地体采用Φ16镀铜钢。
2.热镀锌材料
虽本地区土壤对钢具有中度腐蚀，但若从经济性上考虑，接地材料也可选用热镀锌材料。结合接地电阻计算对接地体截面的要求，以及钢每年0.4mm的腐蚀速率，本工程若采用热镀锌材料，推荐水平接地体使用60*10热镀锌扁钢，垂直接地使用Φ12热镀锌圆钢，各地网连接线采用Φ12热镀锌圆钢。
五．降阻措施
1、加长垂直接地极长度
根据本工程土壤电阻率报告，垂直接地极深度应在14m左右为最优选择(勘探报告中20m以上未见地表径流，因此对环境无影响)。
垂直接地极的接地电阻可利用下式计算（图A1-1）
当L>>d时
(A1)
式中：R1 ——垂直接地极的接地电阻，Ω；
ρ ——土壤电阻率，Ω·m；
l ——垂直接地极的长度，m；
d ——接地极用圆导体时，圆导体的直径，m
把ρ=2100Ω·m（使用GALMAR非定型模块，土壤电阻率按降低30%计算），l=15m，d=0.15m带入A1式中，得Rv=127Ω
本设计采用17组独立的接地棒，并联则得： Rv/17=127/17=7.47Ω
考虑到环境、经济效益、电气特点等多方面因素，可知垂直接地极是降阻的主要手段。
2.回填采用优质土壤
与接地体直接接触土壤对降阻会起到一定的作用，在水平接地体上下200回填黄土，优质黄土电阻率为250欧。考虑到本工程极为干燥，在回填土壤中均匀混合石墨颗粒以达到更好的降阻效果。
3.采用降阻模块
优质的降阻模块会对土壤局部起到10%甚至30%降阻效果，故本工程推荐在每个垂直接地极处设置降阻模块。
4.等离子接地棒
等离子接地棒也是一种垂直接地体，他具有，但其造价较高，本工程暂不考虑使用。
5.向土壤内定期打水措施
根据土壤电阻率报告，有四台机位因有水管经过，其附近土壤电阻率较低，说明只要保持土壤湿润，即可有效降低电阻，故可考虑定期向土壤中打水来降低土壤电阻率。但此方案较难把握打水间隔时间，打水量，以及水源供给问题也较难解决，故暂不推荐，若某机位电阻实在难以降低的话，可尝试采用此方法。
六．接地方案说明
方案一：风机及杆塔接地网相连 （镀铜钢方案）
（一）风机及箱变地网：
（1）水平接地体：采用直径为12mm的镀铜圆钢，远新单台风机为400m，共14400m。
（2）垂直接地体：采用现场矫直的Ø16mm的镀铜圆钢作为垂直接地导体。每组长度15m，远新单台风机为17根，共8415m。
（3）降阻材料：选用非定型模块，为物理性降阻物质，对环境无任何污染，吸水性强，降阻显著。单台风机用量为655袋，共23580袋。或可与黄土及石墨方案相结合使用。
（4）采用热熔焊接系统，使用放热熔铸原理，把导体融为一体为铜质材料，导流能力强，机械强度高，耐腐蚀性能优越。单台风机为52个焊点，共1872个。
(二) 杆塔及连接接地体设置
（1）水平接地体：采用直径为12mm的热镀锌圆钢，杆塔接地网用量2000m，连接接地体用量11000m×2，共24000m。
（2）垂直接地体：采用现场矫直的Ø16mm的热镀锌圆钢作为垂直接地导体。每组长度2.5m，共100根。
如果不考虑经济性，可考虑此部分接地材料也采用镀铜圆钢。
(三)升压站接地方案
（1）垂直接地体：采用现场矫直的Ø16mm的镀铜圆钢作为垂直接地导体。每组长度20m， 共48组，共960m。
（2）水平接地极：采用直径为12mm，每卷长度为100m的镀铜圆钢G11167；共4000m。
（3）降阻材料：选用非定型模块，为物理性降阻物质，对环境无任何污染，吸水性强，降阻显著。共680袋。
（4）导体之间的连接：采用热熔焊接系统，使用放热熔铸原理，把导体融为一体为铜质材料，导流能力强，机械强度高，耐腐蚀性能优越。共450个。
方案二：风机及杆塔接地网相连 （热镀锌材料方案）
（1）水平接地体：采用规格为60*10的热镀锌扁钢，远新单台风机为400m，共14400m。
（2）垂直接地体：采用Ø16mm的热镀锌圆钢作为垂直接地导体。每组长度15m，远新单台风机为17根，共8415m。
（3）降阻材料：选用非定型模块，为物理性降阻物质，对环境无任何污染，吸水性强，降阻显著。单台风机用量为655袋，共23580袋。或可与黄土及石墨方案相结合使用。
(二) 杆塔及连接接地体设置
（1）水平接地体：采用直径为12mm的热镀锌圆钢，杆塔接地网用量2000m，连接接地体用量11000m×2，共22200m。
（2）垂直接地体：采用现场Ø16mm的热镀锌圆钢作为垂直接地导体。每组长度2.5m，共100根。
(三)升压站接地方案
（1）垂直接地体：采用规格为60*10的热镀锌扁钢作为垂直接地导体。每组长度20m， 共48组，共960m。
（2）水平接地极：采用直径为12mm热镀锌圆钢；共4000m。
（3）降阻材料：选用非定型模块，为物理性降阻物质，对环境无任何污染，吸水性强，降阻显著。共680袋。
七．结论
综上所述，由于本项目土壤电阻率测极高，以及土壤具有中度腐蚀的特性，本工程的接地目标是及其艰巨的。本项目推荐采用将风场及线路地网相连整个风场形成一个接地大网，升压站地网独立设置的方案。推荐采用镀铜接地材料结合非定型降阻模块的综合接地降阻方式，在正确安装和确保材料质量的情况下，其在接地系统电位统一、稳定、降阻散流效果，以及耐腐蚀性能方面具有优势，但综合经济性，从首次投资经济性方面考虑推荐材料方案2（热镀锌钢材）。
同时，因本项目土壤的特殊性，本次土壤电阻率实际测量结果为开路，后经过浇水测量才取得现有数据。所有计算均在此数据的基础上，通过软件模拟得出，对于降阻剂的使用也仅限于估值，最终降阻效果是否能达到预期愿景需在施工过程中紧密跟踪。建议施工时，分别选取土壤电阻率最大与最小的机位先进行施工，对接地方案进行试验复核，若无法降低适时调整方案，再进行后续施工，个别风机电阻若实在无法降低，可考虑采用打水等方案，施工时需具体问题具体对待。
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