風機接地系統(tǒng)雷擊暫態(tài)特性分析

萬興玉，張忠會

（南昌大學信息工程學院，南昌330031）

0 引言

推動風能等可再生能源的發(fā)展已經(jīng)成為全球能源革命的趨勢，風電在我國已經(jīng)成為僅次于火電和水電的第三大電源[1]，發(fā)展前景廣闊。風電行業(yè)的迅速發(fā)展也遭受日益嚴重的雷電災(zāi)害威脅。在風電機組的雷電防護當中，風機接地系統(tǒng)至關(guān)重要[2]。以往運行經(jīng)驗也表明，對于風電機組直擊雷的防護，降低接地系統(tǒng)電阻最為行之有效[3-4]。但是對于風電機組雷擊暫態(tài)效應(yīng)的研究多采用工頻接地電阻[5-6]，而沖擊電流作用下接地體系統(tǒng)的泄流與工頻狀態(tài)存在很大差異[7]，即使考慮了雷電流在接地體中的有損傳輸過程[8]也很難考慮火花放電引起的土壤電離，因此研究得到的雷擊暫態(tài)效應(yīng)數(shù)據(jù)不能有效指導風電機組的雷電防護。

筆者通過EMTP軟件[9]建立典型風機接地系統(tǒng)模型，考慮雷電流流經(jīng)接地裝置時火花效應(yīng)引起的土壤電離作用對暫態(tài)電位的影響。分析土壤電阻率、接地裝置尺寸、接地裝置形狀對風機接地系統(tǒng)雷擊暫態(tài)電位的影響，討論外引接地對于降低暫態(tài)電位的防護效果，為風力發(fā)電機的雷電防護提供理論參考。

1 仿真模型

1.1 雷電流模型

雷電流波形采用Heidler函數(shù)[10]表示，表達式為

式中：Im，I0為峰值電流，kA；τ1和τ2為波頭時間常數(shù)和波尾時間常數(shù)，μs；n為電流陡度因子，取n=2或10?；負敉ǖ赖戎挡ㄗ杩购屠纂娏鞣迪嚓P(guān)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[11]選取。

1.2 葉片和塔筒模型

為了考慮雷電流在葉片和塔體上傳播的波過程，將二者用波阻抗模型表示[12]。

葉片波阻抗計算如下[13]：

式中：lb為葉片長度；rb為葉片等效半徑。

塔筒波阻抗計算如下：

式中，ht為塔筒高度；rt為葉片等效半徑。

1.3 接地裝置模型

接地體在雷電流作用下會呈現(xiàn)復雜的電磁暫態(tài)特性，這與工頻狀態(tài)有很大不同。雷電流幅值較大時，接地體會發(fā)生火花放電效應(yīng)[14]，從而擊穿周圍土壤產(chǎn)生電離現(xiàn)象?；鸹ㄐ?yīng)的存在相當于增加了接地體的直徑，降低了沖擊接地電阻。同時接地體自身電感的存在阻礙了高頻雷電流成分向遠端傳播，增大了沖擊接地電阻，稱為電感效應(yīng)。

為了全面考慮火花效應(yīng)和電感效應(yīng)對接地體泄流過程的影響，將接地體等效成有損長線，由電感、電容、電導和電阻組成，電路模型如圖1所示[15]。

圖1 接地體的等效電路模型Fig.1 Equivalent circuit model of the grounding electrode

圖1中R0、L0分別為單位長度電阻及電感；G0、C0分別為單位長度對地電導及電容，具體計算由下列公式確定：

式中，ρc為接地體電阻率；l0為接地體長度；a為接地體半徑。

式中，ρs為土壤電阻率，h為接地體埋深。

式中，εs為土壤介電常數(shù)；εa為空氣介電常數(shù)。

火花效應(yīng)導致的土壤電離對接地體電感和電阻基本沒有影響，對地電容影響也較小，主要影響對地電導[16]。由于EMTP中沒有時變電導元件，因此用時變電阻來替代。

當接地體承受雷電流沖擊時，周圍土壤電場強度如果超過其臨界擊穿場強，土壤發(fā)生電離，將其等效為接地體等效半徑的增大，接地體各段的等效半徑可通過下式求取[17]：

式中，Δik為流經(jīng)第k段接地體的電流；Jk為第k段導體的電流密度；Ec為土壤臨界擊穿場強。

土壤臨界擊穿場強受土壤電阻率影響，具體計算如下：

通過式（8）-（10）可確定臨界擊穿電流：

得到可變電阻與電流的關(guān)系[17]：

構(gòu)建的地網(wǎng)模型[18]如圖2所示，正六邊形水平地網(wǎng)邊長20 m，埋深為0.6 m，導體交叉處增設(shè)垂直接地棒，長度2 m，接地體直徑10 mm，接地體電阻率2.5×10-7Ω·m，土壤電阻率為500 Ω·m，土壤相對介電常數(shù)取10。雷電流幅值10 kA，波形為2.6/50 μs。

圖2 接地網(wǎng)模型Fig.2 Model of the grounding system

2 仿真結(jié)果

2.1 暫態(tài)電位波形

圖3給出了考慮火花效應(yīng)前后的風機地網(wǎng)中心暫態(tài)電位。

圖3 暫態(tài)過電壓波形Fig.3 Waveform oftransient voltage on the grounding system

通過圖3比較可以看出，考慮雷電流沖擊產(chǎn)生的火花效應(yīng)后，地網(wǎng)暫態(tài)電位明顯下降，由118 kV降至86 kV，因為火花效應(yīng)降低了地網(wǎng)的沖擊接地電阻。

表1給出了不同土壤電阻率下地網(wǎng)中心暫態(tài)電位。

表1 土壤電阻率對地網(wǎng)暫態(tài)電位影響Table1 Effect of soil resistivity on transient voltages

由表1可以看出，隨著土壤電阻率的升高，地網(wǎng)中心暫態(tài)電位也不斷增加。土壤電阻率越大，暫態(tài)電位增加幅度越明顯，這是因為較高的土壤電阻率增加了雷電流的泄放難度和土壤擊穿難度。

2.2 地網(wǎng)尺寸影響

圖4給出了不同尺寸的接地裝置下的地網(wǎng)中心暫態(tài)電位。

圖4 接地網(wǎng)邊長對暫態(tài)過電壓影響Fig.4 Effect of size of grounding system on transient voltages

從圖4中可以看出，地網(wǎng)邊長從10m擴大到20m，地網(wǎng)暫態(tài)電位迅速減小，下降了42%。但是隨著地網(wǎng)尺寸的進一步增大，電位下降幅度趨緩，邊長從40 m擴大到50 m，電位僅下降了2.3%。與工頻狀態(tài)下全部地網(wǎng)導體起散流作用不同，雷電流沖擊作用下，由于電感效應(yīng)，只有電流注入點附近一部分導體起散流作用，整個地網(wǎng)并未得到充分利用。

2.3 地網(wǎng)形狀影響

圖5給出了地網(wǎng)形狀對地網(wǎng)中心電位的影響。

圖5 接地網(wǎng)形狀對暫態(tài)過電壓影響Fig.5 Effect of shape of grounding system on transient voltages

從圖5可以看出，地網(wǎng)邊數(shù)越多，越趨向圓形，中心暫態(tài)電位越低。但是隨著地網(wǎng)邊數(shù)的增多，中心暫態(tài)電位的下降幅度越來越小，接地效果也愈發(fā)不明顯。這主要是因為地網(wǎng)邊數(shù)的增多增加了接地網(wǎng)格密度，而接地導體之間存在一定的屏蔽效應(yīng)[19]，間距越小，接地體的利用效率越低。

2.4 引外接地

引外接地是高土壤電阻率地區(qū)降低接地電阻的常見做法。引外接地采用水平接地棒與地網(wǎng)邊緣相連，圖6給出了引外接地長度對地網(wǎng)中心暫態(tài)電位的影響。

從圖6可以看出，引外接地措施可以有效地減小地網(wǎng)暫態(tài)電位。引外接地長度為10 m時的暫態(tài)電位比未采用引外接地措施時下降了12%。但是隨著引外接地長度的進一步增加，電位曲線趨于平緩，電位下降幅度非常小。因為雷電流高頻成分較為豐富，引外接地體由于自身的電感、電容效應(yīng)阻礙了電流的進一步傳播。引外接地存在一個有效長度[20]，接地體外延長度超過有效長度后，對降低沖擊接地電阻的作用很小。

在進行風機地網(wǎng)設(shè)計時，并非地網(wǎng)尺寸、規(guī)模越大越好，在設(shè)計之初應(yīng)做好相應(yīng)的研究計算，選取恰當?shù)牡鼐W(wǎng)型式。

圖6 引外接地長度對暫態(tài)過電壓影響Fig.6 Effect of length of external grounding on transient voltages

3 結(jié)論

利用EMTP建立風機葉片、塔筒和接地裝置模型，考慮雷電流作用下接地導體散流特性和火花效應(yīng)，計算風機地網(wǎng)暫態(tài)電位，得到結(jié)論如下：

1）沖擊電流導致的火花效應(yīng)能夠降低風機地網(wǎng)暫態(tài)電位。地網(wǎng)中心暫態(tài)電位隨著土壤電阻率的增大而增加。

2）地網(wǎng)尺寸越大、邊數(shù)越多，雷擊暫態(tài)電位越小，但是暫態(tài)電位下降幅度越來越緩。

3）采用引外接地措施能夠有效降低沖擊接地電阻，但引外接地長度超過有效長度后，降阻效果愈發(fā)不明顯。

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