風電機組接地網沖擊特性的研究

張國光，張國熠，于同澤

(1.湖南省電力公司超高壓管理局，湖南長沙410000;2.浙江國華浙能發電有限公司，浙江 寧海315612;3.吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林 吉林132012)

0 引言

能源和環境問題是當今世界各國最為關注的問題。在已知的綠色新能源中，風能作為永不枯竭的能源已日益受到世界各國的高度重視［1］。近二十多年，風力發電成本持續下降，產業不斷成長壯大。目前，風電機組的單機容量越來越大［2］。為吸收更多能量，隨著輪轂高度和葉輪直徑的增高，相對也增加了被雷擊的風險。雷電釋放的巨大能量，會造成風電機組葉片損壞、發電機絕緣擊穿，當雷電流流過風電機組塔筒時會對其中的傳輸、通信與控制線路產生感應過電壓，這些暫態過電壓將對風電機組的正常運行造成影響［3，4］。對此，本文運用場路結合［5，6］的思想建立了接地網暫態電路模型，利用快速傅里葉變換在頻域內對雷電流進行了分解，在考慮土壤擊穿的情況下，用頻域時域相結合的方法分析了接地網的雷電暫態特性，并系統分析了地電位升高對傳輸、通信和控制電纜最外絕緣層的影響。

1 接地網等效電路模型

計算接地阻抗時，應考慮接地導體的電感和導體間的互感、電容耦合等因素，因此，建立接地網等效電路模型時應做如下假設:

假設1:接地網由r根導體和n個節點構成，圖1是接地網中節點k的等效電路，在每段導體k上有一個沿導體方向的軸向電流和一個流散到周圍土壤中的泄漏電流，導體上的泄露電流等分到相鄰兩節點入地。

假設2:當雷電流ˉFk注入接地網時，由于導體的電感和導體間的互感、電容耦合等因素的影響，接地網不同節點的電位差將不為零。取無窮遠處為參考點，接地網各支路電壓等于其端點電壓的平均值。

圖1 接地網節點的等效電路

式(1)中l和m是k支路的兩個端點。對于所有的支路和節點就有一個矩陣關系:式中:是 r條支路的電壓列向量;是 n 個節點電壓的列向量;［K］是r×n階矩陣，當支路i與節點j相連時，［K］矩陣中的元素Kij=0.5，否則為零。

接地網各支路上的阻抗除了自感、互感和電阻外，還受到周圍土壤介質的容性效應影響，每條支路k都有一個泄漏電流流入大地，考慮各支路的電壓和泄漏電流可得到:

其中，如果節點 j與支路 k相連Ck，j=1，否則等于零。則(4)式可以寫成:

其中，［K］t是(2)式中用到的［K］的轉置。

通過以上分析，運用電路中的節點電壓法，可以得到如下表達式:

其中，［Y］是節點導納矩陣，聯立上述表達式可得:

2 土壤擊穿時接地網的暫態電路模型

沖擊雷電流作用下，接地導體周圍的泄漏電流密度會很大，當泄露電流所產生的場強超過土壤的臨界擊穿場強時，土壤會有火花放電現象產生。國內外學者通過大量的試驗研究，最終建議土壤的臨界擊穿場強取 300 kV/m［7］。

建立接地網暫態電路模型時需要進行如下的推理:

推理1:假設接地導體的等值半徑與其導體自身長度相比很小，每段導體均化分為多個小段，其泄漏電流等分到兩端點流出。

推理2:只要電場強度超過土壤的臨界擊穿場強Ec，就會有火花放電現象發生，即土壤電離。當土壤發生電離時，由于電離區域土壤的電阻率極低，可以等效為接地導體半徑的增大。導體等效電離半徑rc處的電場強度等于Ec。

推理3:由于電流只能在導體的內部流動，因此土壤電離只影響導體對地的電導和電容，而對接地導體間的自互感沒有影響。

根據以上推理，接地網暫態電路模型的計算過程包括如下幾個步驟:

步驟1:將雷電流時域波形F(t)利用快速傅立葉變換轉換為頻域信號F(ω)。

步驟2:在頻域范圍內計算泄漏電流I(ω)和節點電壓V(ω)。

步驟3:電流密度J與磁場強度E有密切聯系，在已知接地導體長度 l、等效半徑r和泄漏電流I時，電流密度J可用下式表示:

電流密度J與磁場強度E的關系式為:J=σE+jωεE，可得:

步驟4:將電場強度利用傅立葉反變換由頻域E(ω)轉換為時域E(t)，如果E(t)超過臨界擊穿場強Ec，則導體半徑需用土壤電離后的等效半徑rc代替，其表達式為:

步驟5:將導體半徑用等效半徑rc替代后需生成新的［G］陣。泄漏電流I(t)和電場強度E(t)會隨著［G］陣的改變而改變，直到滿足精度要求:

程序流程圖如圖2所示。

圖2 接地網暫態程序流程圖

3 風電機組防雷接地與過電壓計算

風電機組做接地系統設計時，已經充分考慮了接地系統的工頻特性，而其沖擊特性經常被忽略。發生雷擊事故時，高頻雷電流會使風電場地電位急劇上升，這些暫態過電壓將對風電機組的正常運行造成影響。因此，研究風力發電機接地系統的沖擊和工頻特性具有非常重要的意義。

3.1 計算結果驗證

為了驗證本文的接地網雷電暫態分析方法的有效性，對文獻［10］中給出的數據進行了計算分析。接地網為60 m×60 m，其地下埋深為h=1 m，橫向和縱向的分段數都為6且為等間距排列，導體材料為銅材，導體半徑r=0.01 m，土壤為單層結構電阻率為 ρ=100 Ωm。雷電波形為2.6/50 μs，幅值為10 kA，從(0，0，－1)點注入，總計算時間為 300 μs。對接地網上點(0，0，－1)和(10，10，－1)的電位進行了仿真計算，計算結果如圖3所示。將所得的計算結果與文獻［10］中應用國際接地計算軟件CDEGS的計算結果如圖4所示，進行對比分析，得出本文計算方法正確無誤。

3.2 風電機組防雷接地

雷電流都是通過風電機組本身的防雷設備，最終將雷電流導入接地網，并向大地散流。因此，良好的接地系統是風電場安全運行的前提。

圖3 接地網節點電位計算結果

圖4 CDEGS計算結果比較圖

根據風力發電機所處的位置地形情況，單臺風電機組的接地系統采用以風電機組基礎為中心設置環形水平接地帶，風電機組基礎的材料為鋼筋混凝土，主要起固定風電機組塔筒和輔助散流的作用［8］。并且要在風電機組中心向外敷設3根以上接地扁鋼與環形水平接地帶相連，圖5為單臺風電機組接地網簡圖。在環形水平接地帶與敷設水平接地帶相交處設置垂直接地極。

圖5 風電機組接地網簡圖

距離風電機組15 m處設有升壓箱變，升壓箱變的低壓側與風電機組發電機的輸入端相連，高壓側與遠處變電站相連，一般情況下變壓器的低壓側都設計成中性點接地的星型接法，而高壓側則是與地電位隔離的三角形接法［9］，圖6是風電場的典型電氣設備布置。

圖6 風電場電氣設備布置

由實驗數據可知，當有沖擊雷電流入地時，接地網的地電位急劇上升將引起升壓箱變的輸入端與輸出端存在著巨大電位差。如果升壓箱變低壓側沒有安裝SPD(雷電浪涌保護器)或SPD不合格的情況下，升壓箱變極易被雷電損壞。

3.3 土壤電離對接地網沖擊阻抗的影響

風電機組接地網半徑為10 m，埋深為h=1 m，導體材料為銅材，半徑為r=0.01 m，土壤為單層結構電阻率為 ρ=150 Ωm。雷電波形為2.6/50 μs，幅值為200 kA，總計算時間為300 μs，由接地網中心入地。圖7為是否考慮土壤電離時計算的沖擊接地阻抗對比圖。由計算結果可知，大雷電流入地引起的最大土壤電離半徑rc可達到0.35 m，考慮電離前后，接地網沖擊電阻由原來的5.69 Ω變為5.02 Ω，下降了11.78%。因此，當有大雷電流入地的情況下，計算接地網沖擊接地阻抗，考慮土壤電離是必要的。

圖7 電離前后的沖擊接地阻抗

3.4 過電壓對電纜最外絕緣層的影響

雷擊產生過電壓時，接地網周圍地電位將急劇上升。此時，傳輸、通信和控制電纜最外絕緣層所承受的電壓為電纜屏蔽層與周圍土壤之間的電位差。

如果電纜屏蔽層在遠處接地，則其接地端的電位將與該地的電位基本相同，在風電機組接地網附近的電纜屏蔽層上產生感應電壓值將高于電纜屏蔽層接地端。以本文采用的接地網結構與數據為例，如果擊中風電機組塔筒的雷電流峰值達到10 kA，電纜最外絕緣層的電位大約可達到50 kV。此時，最外絕緣層上的電位隨電纜與風電機組接地網距離變化的圖像見圖8a。當電纜屏蔽層在風電機組接地網附近接地時，其電位將與風電機組接地網附近的土壤相同，距風電機組接地網較遠處的電纜最外絕緣層電位高于電纜屏蔽層接地端，如圖8b所示。

風電機組發生雷擊事故時，雷電流的波頭越陡峭，產生的過電壓將越大。電纜最外絕緣層上形成的過電壓會對其絕緣造成破壞，嚴重時會使電纜屏蔽層與其周圍土壤發生放電。

圖8 最外絕緣層上的過電壓

4 結論

在考慮土壤電離特性的基礎上，通過建立接地網暫態電路模型對雷擊作用下接地網的暫態特性進行了研究。研究結果表明:a.雷電沖擊引起的土壤電離，可以增強接地網的散流能力，降低接地網的峰值電壓。b.升壓箱變的輸入端與輸出端存在著巨大電位差，為確保升壓箱變的安全運行應在其低壓側安裝雷電浪涌保護器。c.埋設在地下的傳輸、通信和控制電纜的屏蔽層在風電機組接地網的附近或較遠處接地時，電纜的屏蔽層與其周圍土壤會有很高的電位差，這將對電纜最外絕緣層構成威脅，所以，應引起相關人員高度注意。

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