高海拔地区风电场升压站防雷接地设计优化探讨

在全球清洁能源战略背景下，高海拔地区风电场的兴建规模不断扩大。但是这一地区大气电场强、雷电流幅值较大、雷击陡度较快，使升压站所受到的雷电威胁远远超出常规地区所能承受的范围。防雷接地系统是防御雷击的一道关键防线，设计是否科学有效直接影响风电场运行的可靠性和经济性。目前，对于高海拔地区这一特定环境条件下防雷接地设计的研究还存在很多空白，已有设计方案在实践中暴露出防护效率不高，维护成本高的问题。对高海拔地区风电场升压站防雷接地设计进行系统研究和优化已经成为促进风电产业高质量发展急需解决的一项重要任务。

一、高海拔地区风电场升压站防雷接地设计原则

（一）安全性原则

高海拔地区大气电场强度大、雷电活动量大、升压站的防雷接地设计需要把确保人员和设备的安全放在第一位。接地系统中接地电阻一定要严格把控，如一般土壤条件中规定工频接地电阻不能超过 4Ω，这样才能保证雷击后电流能够很快引入大地，减少设备外壳、架构等电位上升，避免人员被雷击受伤的情况。同时，对于可能遭受雷击的设备，如变压器、断路器等，需配备完善的防雷装置，防止过电压对设备造成损坏[1]。

（二）可靠性原则

升压站防雷接地系统要有长时间稳定工作的能力。鉴于高海拔地区所面临的恶劣自然条件，例如强烈的紫外线照射和昼夜温度差异，选择接地材料时应优先考虑具有耐腐蚀和强抗氧化特性的材料。以铜覆钢为例，它的使用寿命是普通钢材的 2-3 倍，可有效地保证接地系统运行的可靠性。此外，接地系统连接方式应牢固、可靠，以免长时间运行造成连接点松脱而影响接地效果。

（三）经济性原则

防雷接地设计要以成本控制为中心，同时又要满足安全性与可靠性。合理选用接地材料及施工工艺，以免因过度设计而浪费成本。以土壤电阻率较大地区为例，可以利用降阻剂与常规接地极结合来减小接地电阻，与完全采用贵金属接地材料相比较，可以在取得更好接地效果的前提下大幅度降低成本。

二、高海拔地区风电场升压站防雷接地设计优化策略

（一）优化接地材料选择

高海拔地区的土壤条件复杂多样，由山地岩石至草原黏土的土壤电阻率跨度很大，需要针对特定的土壤特性及环境条件对接地材料进行优化选择。不同接地材料在不同土壤电阻率环境下的降阻效果存在显著差异（见表 从表 1 的数据中，可以清楚地观察到，在土壤电阻率相对较低（ ⩽100Ω⋅m ）的地方，镀锌钢接地极因其相对较低的成本和良好的降阻性能，完全能够满足基础的需求；在土壤电阻率介于 100～500Ω ・ρ_m 的范围内，铜覆钢的接地极表现出更为出色的性质；但在土壤电阻率超过 500Ω⋅m 之高阻区，以铜覆钢接地极搭配降阻剂之组合，其降阻效果最明显，相对费用尚处于可以接受之范围。所以，高海拔风电场升压站场防雷接地设计时，要通过对场地土壤电阻率的测定来科学地选择适宜的接地材料搭配[2]。

表 1 不同接地材料在不同土壤电阻率下的性能对比

（二）改进接地网结构设计

常规矩形接地网对于高海拔、复杂地形、土壤条件等降阻效果通常很难达到要求。放射形－环形组合复合接地网结构可以通过加大接地极延伸长度及分布范围来有效减小接地电阻。在某高海拔风电场升压站实际改造案例中，将原有的矩形接地网改为复合接地网后，接地电阻从 8Ω显著降低至 3Ω（见表 2）。这是由于在复合接地网中环形接地网起着平衡电位作用，放射形接地极伸向远方低土壤电阻率地区，使散流面积增大。同时对接地网中变压器基础和高压设备架构下等易遭受雷击部位等重点节点加密设置垂直接地极以进一步提高散流能力。在选择垂直接地极的长度时，通常会根据土壤的实际情况来决定是 2～3m ，而保持 3～5m 的间距，这样可以避免它们之间产生相互的屏蔽效应的问题。

表 2 不同接地网结构的接地电阻对比

（三）加强防雷装置配置

高海拔地区常规避雷针，避雷线仅能保护直击雷而对感应雷及侵入波过电压保护作用有限，需要提高避雷器配置密度及性能等级。对变压器和高压开关这类重要的装置采用多级避雷器的保护方式。以变压器为研究对象，在其进线端安装氧化锌避雷器，目的是限制从线路传输过来的侵入波过电压；出线端装设另一套避雷器以避免变压器内的操作过电压；同时中性点设置专用中性点避雷器对变压器中性点进行绝缘保护。

选用避雷器时，应着重考虑避雷器的非线性伏安特性及通流能力。高品质的氧化锌避雷器，在正常工作电压下表现为高阻抗，其泄漏电流非常微小；受到雷击过电压后，能够快速转变为低阻状态并释放出大量的雷电流，使过电压控制在装置能够承受的限度之内。其标称放电电流一般选择 10kA 及，满足高海拔地区强雷击保护需要。

（四）完善等电位连接

升压站中的各种电气设备、金属架构、电缆屏蔽层都有可能在遭受雷击的一瞬间产生巨大电位差，导致设备受损及人员触电事故发生，所以，完善的等电位连接显得尤为重要。用截面不少于 50mm2 铜排或者 80mm2 扁钢实现各装置接地端子和接地网的可靠连接。对于通信设备、自动化系统以及其他对电磁干扰比较敏感的电子设备需要建立一个单独的等电位接入网，此接入网采用单点方式接入主接地网，避免主接地网内雷电流对电子设备正常工作造成干扰[3]。

设备和接地母排接头处以及不同金属材质构件接头处等电位连接关键节点要做特殊处理。比如通过镀锡处理来加强铜排和扁钢之间连接的可靠性，通过防松垫片来保证螺栓连接的长时间牢固，避免由于震动等原因而造成连接松脱。

（五）强化防雷接地系统检测与维护

建立健全防雷接地系统的检测制度，是确保系统正常工作的重要环节。定期（每年至少一次）对接地电阻进行测量，采用精密的接地电阻测试仪，确保测量结果准确可靠。同时，对接地材料进行开挖检查和无损检测评价。对铜覆钢接地极要着重检查它的铜层有无断裂，发现断裂要及时防腐，例如涂导电防腐胶。

采用先进在线监测技术对接地系统运行状况进行实时监控。该在线监测系统能够实时获取接地电阻，泄漏电流和雷击次数的信息，通过无线网络将这些信息传送到监控中心。当监测数据出现异常，如接地电阻突然升高超过设定阈值（一般为初始值的1.5 倍）时，系统立即发出报警信号，运维人员能够在现场及时排查并处置，保证防雷接地系统一直保持良好运行。

三、结语

高海拔地区风电场升压站防雷接地设计对确保风电产业平稳发展起关键作用。面对这一地区复杂而严酷的自然环境，科学，、进行防雷接地设计需要综合考虑安全性、可靠性、经济性。从优化接地材料的选择、改善接地网结构、加强防雷装置的配置、健全等电位连接和加强检测维护多维度措施，可以有效地提高防雷接地系统性能，减少雷电灾害风险为风电场在高海拔地区安全平稳运行提供坚实的保障，促进清洁能源产业的可持续良性发展。

参考文献

[1]陈宿,王明辉. 主动式废油收集系统在高海拔地区的应用[J].科技创新与应用,2024,14(10):177-180.

[2]阿旺加措,郜志腾,王强,等. 青藏高原超高海拔地区风能开发试验与生态环境效应分析[J].高原科学研究,2023,7(04):1-10.

[3] 陈 淑 . 高 海 拔 地 区 风 电 场 防 雷 接 地 施 工 控 制 技 术 探 讨 [J]. 农 村 电工,2022,30(03):30-31.