60MW风电机组防雷接地网阴极保护系统

60MW风电机组防雷接地与阴极保护牺牲阳极系统

河南邦信防腐材料有限公司

2017年3月

目前，风力发电被称为明日世界的能源。由于它属于可再生能源，为人与自然和谐发展提供了基础。而且不像火电、核电、水电会造成环境问题，所以符合社会可持续发展对能源的要求。所以，风力发电已在我国达到了举足轻重的地位。

然而，风力发电机组是在空旷、自然、外露的环境下工作，不可避免的会遭受到直接雷击。由于现代科学技术的迅猛发展，风力发电机组的单机容量越来越大。主体高度约80米、叶片长度约40米、即zui高点高度约为120米的风机，在雷雨天气时极易遭受直接雷击。它是自然界中对风力发电机组安全运行危害zui大的一种灾害。雷电释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等。

风机的防雷是一个综合性的防雷工程，防雷设计的到位与否，直接关系到风机在雷雨天气时能否正常工作，并且确保风机内的各种设备不受损害。

本方案针对风力发电机组的防雷接地。

接地材料的选择及地网设计

接地是指将风机的外壳与大地连接一起，以便在正常运行、事故接地和遭受雷击的情况下，将其接地点的电位固定在允许范围内，从而保证人身和设备安全。风机的接地系统是风机防雷保护系统中一个关键环节。在地网开挖面积有限、土壤电阻率较高的环境条件下，要能达到上面的技术要求，用传统常规的角钢、扁铁等接地材料进行施工是非常困难的。本方案建议采用新型的接地材料：低阻

接地极。

下面介绍常规接地材料与新型接地模块的使用。

1、常规接地材料

一般来说，水平接地体采用不小于40×4mm的热镀锌扁钢，

垂直接地体采用不小于50×50×5mm的角钢，每根角钢的长

度大约2.5-3米。考虑到减少接地体的屏蔽效应，垂直接地

体的间距一般为其长度的1.5至2倍，即为5－6米。

单根垂直接地体的接地电阻Rg，可按下式计算：在一定的土

壤电阻率下，为达到要求的接地电阻值，通常需要若干根垂

直接地体。

根据上式计算，在土壤电阻率为450Ω.M的情况下，接地电

阻按4Ω考虑，所需3米长的角钢大约也要60多条。占地面积大约42米×42米。

由此可以看出，以现在的风机地貌、可开挖面积来看，用传

统的接地材料想达到接地电阻值的要求是非常困难的。此

外，传统金属接地体的接地电阻随气候(土壤潮湿程度)的变

化会发生大幅度的起伏，随着腐蚀的加剧地阻也会不断增

大。

2、梅花型低阻接地体

郑州万佳防雷有限公司是专业生产防雷设备的单位，其生产

的低阻接地体是一种以非金属材料为主的接地体，由导电

性、稳定性较好的非金属矿物质和电解物质组成，它不含对

人体有害和污染水源、土壤、环境的有害物质。其特殊的形状增大了接地体本身的散流面积，减小了接地体与土壤之间的接触电阻，接地电阻值低。其优良的吸湿保湿及改善周围土壤导电特性的能力,使接地电阻不断减小而趋于长期稳定。因具有抗盐、酸、碱腐蚀的能力，使用寿命长达50年。特别适用于沙漠、戈壁、盐碱地、高原和常年冻土带等恶劣地质条件的地区。

风电机组防雷接地施工图

单根梅花型接地体的接地电阻Rg，可按下式计算：在一定的土壤电阻率下，为达到要求的接地电阻值，通常需要若干根梅花型接地体。接地体的间距不小于4米。根据上式计算，在土壤电阻率为450Ω.M的情况下，接地电阻按4Ω考虑，所需梅花型低阻接地体25多块。占地面积大约16米×16米。通过以上计算可以看出，采用梅花型低阻接地体，所需数量、占地面积远比传统材料少。技术经济比较

通过以上计算可以看出，采用梅花型低阻接地体，所需数量、占地面积远比传统材料少。

风电机组防雷接地网施工图

1、占地面积

在一般条件下（ρ≤100Ωm）使用金属接地材料，在变电站占地面积内一般均可达到接地电阻要求。在

ρ≥500Ωm时，由公式Rj=0.5ρ/√s可知，此时土壤电阻率ρ为常值，若要降低Rj，只有增大√s，此时占地面积S将急剧增大，表现为外接多个外引地网，征地费用大幅增加，总费用剧增，显然是不可取的解决办法。若在原场地上大规模换土，更需动用几千至几万方粘土，其总费用更是惊人。采用低电阻接地模块作垂直接地极时：“低电阻接地模块”采用了一系列降阻技术。首先降低接地极与土壤之间的表面接触电阻，同时成倍增加了接地体的散流面积。由于接地体本身含有丰富的离子，又具有吸湿保湿特性，采用电子十离子导电的散流方式，大大优于金属的电子导电的散流方式。尤其是在高土壤电阻率时，这种工作方式更是大幅度提高了电流的散流效果。采用低电阻接地模块一般情况下均能在变电站本身占地面积内达到接地电阻要求。2、两种接地材料的对比

以目前钢铁材料市场的价格，不考虑运输及施工费用，角钢的材料总费用大约是接地模块的1/3~1/2。但角钢的施工面积却是接地模块的7倍，即用角钢的施工费要远远超过接地体。因此从总成本上看，采用低阻接地体的总成本会略高一些，但其所需的场地却要小的多。

3,腐蚀和寿命问题

由设计手册可知扁钢的腐蚀速度为0.1～0.2mm/年，在酸

碱度大的地区腐蚀速度更快，这样在变电站工作几年后，

由于扁钢表面已腐蚀，散流时接触电阻迅速增大，整个地

网的接地电阻值将逐渐增大。同时变电站由于工频泄放的

问题，进一步加速了扁钢的腐蚀速度。低电阻接地模块采

用的是导电性能优良的非金属材料，金属极芯和富含电解

质的材料制成的。外层是非金属材料，金属极芯采用的是

不锈钢（可达五十年寿命），抗腐蚀能力极强，腐蚀速度极

低，可忽略不计。

4、污染

低电阻接地模块由于材料与工艺的原因，无任何污染，同

时又有很强的抗污染抗腐蚀能力。则受污染的影响很大。

5、费用

就单个材料而言，低电阻接地模块的费用要高些，但就高

土壤电阻率的情况下，工程总费用和全寿命期费用则要明

显低于用扁钢的地网。风力发电防雷防雷接地工程如何达

到0.5欧姆防雷接地.

阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流，被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。

金属-电解质溶解腐蚀体系受到阴极极化时，电位负移，金属阳极氧

化反应过电位ηa 减小，反应速度减小，因而金属腐蚀速度减小，称为阴极保护效应。利用阴极保护效应减轻金属设备腐蚀的防护方法叫做阴极保护。

由外电路向金属通入电子，以供去极化剂还原反应所需，从而使金属氧化反应(失电子反应)受到抑制。当金属氧化反应速度降低到零时，金属表面只发生去极化剂阴极反应。

两种阴极保护法:外加电流阴极保护和牺牲阳极保护。

1、牺牲阳极阴极保护是将电位更负的金属与被保护金属连接，并处于同一电解质中，使该金属上的电子转移到被保护金属上去，使整个被保护金属处于一个较负的相同的电位下。该方式简便易行，不需要外加电源，很少产生腐蚀干扰，广泛应用于保护小型(电流一般小于1安培)或处于低土壤电阻率环境下(土壤电阻率小于100欧姆.米)的金属结构。如，城市管网、小型储罐等。根据国内有关资料的报道，对于牺牲阳极的使用有很多失败的教训，认为牺牲阳极的使用寿命一般不会超过3年，最多5年。牺牲阳极阴极保护失败的主要原因是阳极表面生成一层不导电的硬壳，限制了阳极的电流输出。产生该问题的主要原因是阳极成份达不到规范要求，其次是阳极所处位置土壤电阻率太高。因此，设计牺牲阳极阴极保护系统时，除了严格控制阳极成份外，一定要选择土壤电阻率低的阳极床位置。

2、外加电流阴极保护是通过外加直流电源以及辅助阳极，是给金属补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，使金属表面各点达到同一负电位，使被保护金属结构电位低于周围环境。该方式主要用于保护大型或处于高土壤电阻率土壤中的金属结构，如:长输埋地管道，大型罐群等。

1.所有强制电流电源每两月检查一次，间隔长一些或短一些也可能是合适的。运行正常的判据是:电流输出、正常的功耗、表示正常运行的信号或管道上令人满意的阴极保护水平。

2.作为预防性维护计划的一部分，为最大限度地减少使用中的损坏，所有强制电流保护设施应每年检查一次。检查内容包括电气故障、安全接地的连接点、仪表的精度、效率及回路电阻。

3.反向电流开关、二极管、干扰跨接和其他保护装置等，如果失效可能危及构筑物的保护，其正常的功能检查应每两个月一次。

4.应定期检查并评价绝缘接头、电连续性跨接及套管绝缘的有效性，可通过电测量完成。

阴极保护技术有两种:牺牲阳极阴极保护和强制电流(外加电流)阴极保护。

1)牺牲阳极阴极保护技术

牺牲阳极阴极保护技术是用一种电位比所要保护的金属还要负的金属或合金与被保护的金属电性连接在一起，依靠电位比较负的金属不断地腐蚀溶解所产生的电流来保护其它金属。优点: A: 一次投资费用偏低，且在运行过程中基本上不需要支付维护费用 B: 保护电流的利用率较高，不会产生过保护C: 对邻近的地下金属设施无干扰影响，适用于厂区和无电源的长输管道，以及小规模的分散管道保护D: 具有接地和保护兼顾的作用 E: 施工技术简单，平时不需要特殊专业维护管理。缺点: A: 驱动电位低，保护电流调节范围窄，保护范围小 B: 使用范围受土壤电阻率的限制，即土壤电阻率大于50Ω.m时，一般不宜选用牺牲阳极保护法 C: 在存在强烈杂散电流干扰区，尤其受交流干扰时，阳极性能有可能发生逆转 D: 有效阴极保护年限受牺牲阳极寿命的限制，需要定期更换

2)强制电流阴极保护技术

强制电流阴极保护技术是在回路中串入一个直流电源，借助辅助阳极，将直流电通向被保护的金属，进而使被保护金属变成阴极，实施保护。优点: A: 驱动电压高，能够灵活地在较宽的范围内控制阴极保护电流输出量，适用于保护范围较大的场合 B: 在恶劣的腐蚀条件下或高电阻率的环境中也适用 C: 选用不溶性或微溶性辅助阳极时，可进行长期的阴极保护 D: 每个辅助阳极床的保护范围大，当管道防腐层质量良好时，一个阴极保护站的保护范围可达数十公里 E: 对裸露或防腐层质量较差的管道也能达到完全的阴极保护缺点: A: 一次性投资费用偏高，而且运行过程中需要支付电费B:阴极保护系统运行过程中，需要严格的专业维护管理 C: 离不开外部电源，需常年外供电 D:对邻近的地下金属构筑物可能会产生干扰作用

1)什么是强制电流阴极保护系统?

强制电流阴极保护系统又称为外加电流系统，是在被保护结构周围同一电解质环境中埋设辅助阳极，通过一直流电源以辅助阳极为阳极，以被保护结构为阴极，构成供电回路，将直流电通向被保护的金属，使被保护金属强制变成阴极以实施阴极保护。

2)什么是牺牲阳极阴极保护系统?

牺牲阳极法是用一种电位比所要保护的金属还要负的金属或合金与被保护的金属电性连接在一起，依靠电位比较负的金属不断地腐蚀溶解所产生的电流来保护其它金属的方法。

3)强制电流阴极保护系统的组成有什么?

强制电流阴极保护系统主要由电源、控制柜、辅助阳极、焦炭(碳素)填料、电缆、控制参比电极、电位测试桩、电流测试桩、保护效果测试片、电绝缘装置、电绝缘保护装置。

4)电源的作用是什么?

电源的作用是向阴极保护系统不间断提供电流。电源主要有恒流、恒压整流器、恒电位仪。

5)电源的类型主要有哪几种?

从整流形式上主要有可控硅、磁饱和、数控高频开关。可控硅和磁饱和恒电位仪体积较大、纹波系数较大、控制精度较差，效率较低(低于70%)不易实现数字化。磁饱和恒电位仪除了上述不足外，额定功率20%以下的输出无法控制。数控高频开关恒电位仪体积较小、纹波系

数小、控制精度高、效率较高(90%以上)。

6)辅助阳极的作用是什么?

辅助阳极的作用是通过介质(如土壤、水)与管道之间形成电回路。通过在阳极表面发生电化学反应，不断向阴极结构提供电子，从而使阴极极化到保护电位。

7)辅助阳极的种类有多少?

辅助阳极根据有废钢、硅铁、石墨、混合氧化物阳极、柔性阳极、贵金属电极等。

8)控制参比电极的有那些?

控制参比电极主要有长寿命饱和硫酸铜参比电极、高纯锌参比电极、银/氯化银参比电极、二氧化钼参比电极。土壤中可使用饱和硫酸铜参比电极和高纯锌参比电极，水介质中使用高纯锌参比电极和银/氯化银参比电极。二氧化钼参比电极主要用于混凝土中。饱和硫酸参比电极的寿命一般小于10年。其它的参比电极可以根据寿命来设计。

9)为什么需要采用电绝缘?

在阴极保护技术中，要求被保护结构需要电绝缘，主要是由于如果不绝缘，保护电流会流失到未被保护的金属构筑物上，设计的电流需求量可能不足，保护效果不理想，另外，可能会产生杂散电流的干扰。电绝缘要根据结构的实际情况进行考虑。

10)测试桩的作用是什么?

测试桩的作用主要是用于检测阴极保护效果和运行参数。根据作用不同有电位测试桩、电流测试桩、保护效果测试片测试桩桩。

11)牺牲阳极阴极保护系统的组成有什么?

土壤中，牺牲阳极阴极保护系统主要有牺牲阳极、填包料、和测试桩组成。水环境中，除导线连接外，牺牲阳极也可直接焊接到被保护结构上。

12)牺牲阳极主要有那些?

对于钢铁来说牺牲阳极主要有镁合金牺牲阳极、铝合金牺牲阳极、锌合金牺牲阳极。镁合金牺牲阳极主要应用于高电阻率的土壤环境中。铝合金和锌合金主要用于水环境介质中。锌合金也可用于土壤电阻率

小于5Ω?m的环境中。

对于其它金属来说，活性较高的金属都可以用作它的牺牲阳极，如用铁作为牺牲阳极来保护铜。

1)阴极保护投入前的准备和验收

阴极保护投入前应该对被保护管道进行检查。没有绝缘就没有保护，在施加阴极保护电流之前，必须确保管道各项绝缘措施正确无误，管道表面防腐层应无漏敷点，被保护管道应具有连续性的导电性能。

2)阴极保护站的日常维护管理

检查各电气设备电路连接的牢固性，安装的正确性，电器元件是否有机械障碍。检查配电盘上熔断器的保险丝是否按规定接好。观察电器仪表，在专用的表格上记录输出电流、通电电位数值，与之前的记录对照是否有变化。定期检查工作接地和避雷器接地，并保证其接电电阻不大于10欧姆。搞好站内设备的清洁卫生，注意保持室内干燥，通电良好，做好通风，防止仪器过热。

3)牺牲阳极的维护

1、管道牺牲阳极的保护日常维护工作不多，除按外加电流阴极保护的要求进行保护电位测量，测试桩维护保养，绝缘接头检测，接地故障排除等工作外，建议每年测定各参数。据此分析管道保护状况。若样机性能变坏，则需采取相应的措施。

2、在年度检测时，可以测量牺牲阳极的输出电流，修复断开的电缆。

3、如果阳极输出电流明显减小，而阳极并没有达到其寿命，阳极电缆短路是常见的原因。可以将电流表串联在阳极电缆中测量阳极输出电流，也可以在阳极电缆中串联一支0.1Ω的电阻，通过测量该电阻上的电压降，计算阳极电流输出。

4、阳极的接地电阻为阳极开路电位减去阳极闭路电位再除以阳极输出电流。

4)阴极保护系统常见故障分析

1、管道绝缘不良，漏电故障的危害

在阴极保护站投入运行，或牺牲阳极保护投产一段时间后，出现了在规定的通电点位下，输出电流增大，管道保护距离却缩短的现象或者在牺牲阳极的系统中，牺牲阳极组的输出电流量增大，其值已超过管

道的保护电流需要，但保护点位仍达不到规定的指标的现象。称之为印记保护管道漏电。

2、造成漏电的原因

施工不当、绝缘接头失效或漏电、金属套管穿越处、管道与接地网短路。

3、如何判断管道与接地网短路

判断接地极与管道是否短路，可采用测量电位的方式。利用参比电极分别测量管道和接地极的电位，短路的接地极电位和管道电位是一样的。或测量接地极及管道的之间的电位差，如果两者之间电位为零，则可以判断，接地网与管道短路。

4、防腐层漏电点的查找

利用DCVG查找管道防腐层破损点，从而确定管道的漏电点或短接点的方法。此方法首先将脉冲信号送到被测管道上，如果管道防腐层良好，流入管道的电流很弱，仪表没有显示。如果管道防腐层有破损，电流将从土壤中通过破损处漏入管道，电流的流动会在周围土壤中产生明显的电位梯度。当探测人员手持两个参比电极在管道正上方探测

行走时，伏特计奖明信的抖动，当伏特计指针停止抖动时，两个参比电极的中间即为防腐层漏点位置。

5)管道沿线近间距电位测量

通常采用在测试桩上测量点位的方式来检查阴极保护系统工作状况，采用这种方式，即便管道涂层出现漏点，如果该漏漏点距离测试桩较远，就很难通过测试桩电位测量来发现。因此，电位测量建和越近，测量结果越嫩反应管道阴极保护的实际情况。为了消除IR降，在阴极保护电路中装中短器，所有与被检测管道相连的电源都要同时通断，从而测量袋管道的通、断电位。

6)管道防腐层老化检测

电磁法可以反应防腐层的总体状况，管道埋深以及涂层缺陷位置。其原理是给管道输入一个电压信号，检测器沿管道检测信号的衰减程度。在防腐层均匀的情况下，信号的衰减呈平滑的曲线，当信号有突然的衰减时，说明该管道上有涂层漏点。

7)阴极保护系统中维护种的安全问题

再去工地的路上，不论是乘车、乘船、乘飞机，都要注意安全。野外

测量时，注意毒蛇、猛兽的袭击。在整流器上工作时，断开面板上的开关不代表对设备内部进行操作就安全。应该断开交流电源，并安装安全锁及标签。接触整流器前要用电笔试一下外壳是否带电。

风电机组防雷接地网阴极保护施工图

风电机组防雷接地网阴极保护牺牲阳极施工图

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