山脊風(fēng)電機組多向輔助接地網(wǎng)散流特性與影響因素研究

胡元潮， 連學(xué)森， 姜志鵬， 安韻竹， 安炳臣， 陳 丹

（1.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 淄博 255000； 2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司 鄂州供電公司，湖北 鄂州 436000； 3.華能濟寧高新區(qū)熱電有限公司， 山東 濟寧 272000）

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展， 風(fēng)電機組裝機容量不斷增加[1]。 雷擊災(zāi)害對于風(fēng)電機組安全運行的影響大， 良好的防雷接地系統(tǒng)對保護風(fēng)電機組、減小雷擊災(zāi)害十分重要[2]。 我國許多風(fēng)電機組建設(shè)在山脊上， 這些地區(qū)土壤情況復(fù)雜、土壤電阻率高，降低接地電阻是減少雷擊事故的關(guān)鍵[3]，[4]。 降低接地電阻的作用是盡快地將雷擊電流散流至土壤及終端，因此鋪設(shè)經(jīng)濟適用、接地電阻小、具有穩(wěn)定散流能力的山脊風(fēng)電機組接地網(wǎng)，對于風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有重大意義[5]。

當(dāng)前，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，對于風(fēng)電機組防雷保護的研究逐漸增多[6]。 為了研究風(fēng)電機組槳葉的引雷能力與接地電阻之間的關(guān)系，文獻[7]采用放電試驗的手段，發(fā)現(xiàn)引雷能力和接地電阻的大小呈現(xiàn)出負相關(guān)關(guān)系，改善接地性能有助于改善風(fēng)機的防雷效果。 文獻[8]結(jié)合實際工程，考慮到直擊雷保護、感應(yīng)雷保護、接地裝置和機組配套升壓設(shè)備保護， 系統(tǒng)地闡述了滿足工程實際需要的過電壓保護及防雷接地方案。 曾勇針對貴州省的復(fù)雜地質(zhì)條件， 對貴州山地風(fēng)電機組的防雷接地方法進行分析， 提出了降低風(fēng)機接地電阻的有效措施[9]。 文獻[10]采用軟件模擬的方法，建立海上風(fēng)力發(fā)電機組的自然接地模型， 利用分段、疊加定理求出模型的接地阻抗，并且比較了海水和海床的電阻率對接地電阻大小的影響程度；發(fā)現(xiàn)了由導(dǎo)管架構(gòu)成的自然接地體可滿足風(fēng)電機組的接地要求。 楊仲江分析了雷擊事故的機理，根據(jù)接地電阻的影響因素，針對不同的風(fēng)電機組接地網(wǎng)形式進行了接地電阻計算，對接地設(shè)計提供參考[11]。

本文應(yīng)用仿真軟件CDEGS，研究多向輔助接地網(wǎng)采用鍍鋅鋼接地材料和柔性石墨復(fù)合接地材料時的散流特性和影響因素， 為山脊風(fēng)電機組多向輔助接地網(wǎng)的鋪設(shè)和選材提供參考。

1 仿真建模與參數(shù)設(shè)定

風(fēng)電機組設(shè)備遭遇雷擊災(zāi)害時極易損壞，對防雷接地電阻要求較高。 為了減少雷擊事故，合理選擇輔助接地網(wǎng)的鋪設(shè)形式與接地材料是十分重要的。 圖1 為單向輔助接地網(wǎng)和多向輔助接地網(wǎng)的建網(wǎng)模型示意圖。輔助接地網(wǎng)采用雙邊形式，主接地網(wǎng)與輔助接地網(wǎng)之間由外延引線連接。 外延引線的設(shè)置是為了將入地電流引至輔助接地網(wǎng)中進行散流，從而減小接地電阻，使散流過程更加穩(wěn)定、均勻。

圖1 建模模型Fig.1 Modeling model

在CDEGS 軟件中建立山脊風(fēng)電機組單向輔助接地網(wǎng)模型。主接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)是邊長為10 m 的方形接地網(wǎng)，由鍍鋅鋼接地材料構(gòu)成，沿風(fēng)電機組根部開始敷設(shè)。 輔助接地網(wǎng)的總長度為20 m，通過外延引線與主接地網(wǎng)連接，埋深均為0.8 m。 輔助接地網(wǎng)和外延引線均采用鍍鋅鋼接地體材料和石墨接地體材料。 為研究多向輔助接地網(wǎng)向土壤中的散流情況，將接地網(wǎng)進行分段處理，設(shè)置的觀測面長寬均為整個接地網(wǎng)的1.2 倍。 接地網(wǎng)采用邊框四角注流的方式，注入總電流為100 kA，頻率為100 kHz。 接地材料參數(shù)見表1。

表1 接地材料參數(shù)Table 1 Grounding material parameters

2 單向輔助接地網(wǎng)散流特征與影響因素

2.1 外延引線長度對單向輔助接地網(wǎng)的影響

為了研究外延引線長度對單向輔助接地網(wǎng)接地電阻以及分流系數(shù)的影響，設(shè)置入地電流頻率為100 kHz，入地總電流幅值為100 kA，土壤電阻率為1 000 Ω·m，輔助接地網(wǎng)長度為20 m，外延引線長度為20～100 m，采用鍍鋅鋼和石墨作為接地體材料。 計算所得不同外延引線長度下的接地電阻如圖2 所示。

圖2 不同外延引線長度下的接地電阻Fig.2 Grounding resistance at different length of extension grounding line

由圖2 所示結(jié)果可知， 在100 kHz 電流作用下，隨著外延引線長度的增加，石墨和鍍鋅鋼接地體構(gòu)成的單向輔助接地網(wǎng)接地電阻先減小后增大。 當(dāng)外延引線長度為40 m 時，石墨接地體接地電阻值降至29.5 Ω 左右。兩種接地材料均具有有效散流長度， 外延引線長度在有效散流長度限值內(nèi)增長時，接地網(wǎng)接地電阻會逐漸減小。由圖2 還可發(fā)現(xiàn)， 石墨接地體相對于鍍鋅鋼接地體具有更小的接地電阻。由于高頻電流作用的影響，接地體材料的集膚效應(yīng)急劇增強， 成為影響接地電阻大小的主導(dǎo)因素。石墨接地材料的相對磁導(dǎo)率更小，受到集膚效應(yīng)的影響小， 因此石墨接地體具有更小的接地電阻。 計算不同外延引線長度下的分流系數(shù)如表2 所示。

表2 不同外延引線長度下的分流系數(shù)Table 2 Divergence coefficient under different extension lead length %

為了研究外延輔助接地網(wǎng)的分流作用， 定義流入外延引線的電流I外延與總注入電流I總的比值為分流系數(shù)η， 通過分流系數(shù)來表征輔助接地網(wǎng)的分流能力。

由表2 可見，隨著外延引線長度由20 m 增長至100 m， 鍍鋅鋼和石墨接地體的分流系數(shù)均是先增大后減小，分流系數(shù)最大為14.24%。 接地電阻越大，越不利于將入地電流散流至終端，因此分流系數(shù)隨著接地電阻的變化規(guī)律一起變化。 由表2 還可以得知， 石墨接地體的分流系數(shù)比鍍鋅鋼接地體的分流系數(shù)大。 這說明石墨接地體具有更加穩(wěn)定的散流特性， 可以更好地緩解主接地網(wǎng)的散流壓力。在實際工程中，應(yīng)鋪設(shè)合適長度的輔助接地網(wǎng)， 降低接地電阻， 更好地將電流散流至終端。為了細致觀察單向輔助接地網(wǎng)的散流過程，根據(jù)仿真計算結(jié)果得到圖3。

圖3 外延引線長為40 m 時的散流情況Fig.3 Flow current divergence of extension grounding line at 40 m length

由圖3 可知， 單向輔助接地網(wǎng)在注流點處散流較多，受屏蔽效應(yīng)影響，外延引線部分的散流較少，輔助接地網(wǎng)中呈現(xiàn)明顯的端部效應(yīng)。與鍍鋅鋼接地體相比，石墨接地體散流更為均勻，散流特性更為穩(wěn)定，能更好地將入地電流散流至終端。這是由于在高頻電流的作用下， 相對磁導(dǎo)率較小的石墨接地體受趨膚效應(yīng)的影響較小所致。

2.2 外延引線數(shù)量對單向輔助接地網(wǎng)的影響

為了研究外延引線數(shù)量對單向輔助接地網(wǎng)接地電阻以及散流特性的影響， 設(shè)置單根外延引線長度為40 m，外延引線數(shù)目取2～6 根。 土壤電阻率保持1 000 Ω·m，入地電流頻率為100 kHz。 入地電流采用四角注流的方式， 單根引下線入地電流大小為25 kA。 計算不同外延引線數(shù)量下的接地電阻如圖4 所示。

圖4 不同外延引線數(shù)量下的接地電阻Fig.4 Grounding resistance with different numbers of extension grounding line

由圖4 仿真計算結(jié)果可知， 隨著外延引線數(shù)量的增多， 石墨和鍍鋅鋼單向輔助接地網(wǎng)的接地電阻均減小， 鍍鋅鋼接地體接地電阻的下降趨勢更明顯；在任意外延引線數(shù)量下，石墨接地體接地電阻值更小，當(dāng)接地網(wǎng)有6 根外延引線時，接地電阻值可以降低至17 Ω。 隨著外延引線數(shù)量增多，石墨和鍍鋅鋼接地體單向輔助接地網(wǎng)接地電阻的減小程度逐漸減緩。這是由于屏蔽效應(yīng)的影響，在一定面積的土壤內(nèi)， 單向輔助接地網(wǎng)具有有效的散流面積，敷設(shè)的外延引線數(shù)量越多，屏蔽效應(yīng)越強，所能利用的有效散流面積越小。

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)計算的分流系數(shù)列于表3。

表3 不同外延引線數(shù)量下的分流系數(shù)Table 3 Divergence coefficients under different numbers of extension grounding line %

由表3 可見，隨著外延引線數(shù)量的增加，單向輔助接地網(wǎng)的分流系數(shù)增大。 這是由于外延引線數(shù)量越多， 更多的入地電流通過外延引線向終端擴散。當(dāng)外延引線數(shù)量增加時，石墨接地體具有更好的分流特性，可以使接近20%的入地電流擴散至主接地網(wǎng)之外的土壤中， 最大程度緩解主接地網(wǎng)的散流壓力。 當(dāng)石墨接地體的外延引線數(shù)目超過4 根時，分流系數(shù)的增大程度趨于平緩，而鍍鋅鋼接地體在外延引線數(shù)目超過5 根時， 分流系數(shù)才趨于飽和。這是因為在同樣的散流面積下，由于屏蔽效應(yīng)的影響以及石墨接地體的直徑較大，可以用更少的外延引線， 便可充分利用周圍土壤散流，使更多的電流流向終端。根據(jù)仿真計算結(jié)果得出3 條外延引線的散流結(jié)果如圖5 所示。

圖5 3 條外延引線的散流情況Fig.5 3 Diffusion of extension grounding line

由圖5 可見，在注流點處，外延單向輔助接地網(wǎng)可使更多的入地電流流入外延引線。由于屏蔽效應(yīng)的影響， 外延引線部分散流趨勢比較平緩， 特別是在外延引線與輔助接地網(wǎng)連接點處，散流特性最差。 對于兩種材料的接地網(wǎng)來說，由于端部效應(yīng)的影響以及屏蔽效應(yīng)的減弱，在輔助接地網(wǎng)終端處散流急劇增多。從圖5 中還可以看出，在外延引線長度相同的情況下，石墨接地體比鍍鋅鋼接地體具有更好的散流特性，使單向輔助接地網(wǎng)實現(xiàn)最大程度的分流作用。這是由于在高頻電流作用下， 兩種材料受集膚效應(yīng)影響最大，而石墨接地材料的相對磁導(dǎo)率較小，直徑相對較大，更利于電流流通，分流作用明顯。在實際工程中，在同樣的經(jīng)濟成本下，為實現(xiàn)更好的降阻、分流，獲得更好的散流特性，宜采用石墨作為接地體材料。

3 單向輔助接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

外延引線長度與輔助接地網(wǎng)長度的比例對單向輔助接地網(wǎng)的接地電阻和分流系數(shù)的影響顯著。為了對單向輔助接地網(wǎng)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)定單根外延引線與輔助接地網(wǎng)總長度為180 m，鋪設(shè)3條外延射線和一條輔助接地網(wǎng)， 外延引線長度與輔助接地網(wǎng)長度的比例分別為2∶1，1∶1，1∶2，1∶3，1∶4，1∶5。 土壤電阻率為1 000 Ω·m，入地電流頻率為100 kHz，入地總電流幅值為100 kA，外延引線和輔助接地網(wǎng)采用石墨、鍍鋅鋼材料。在不同比例下接地電阻值的計算結(jié)果如圖6 所示。

圖6 不同比例下的接地電阻Fig.6 Grounding resistance in different proportions

由圖6 可見， 當(dāng)單向輔助接地網(wǎng)的總長度一定時，隨著外延引線長度所占比例由大變小，鍍鋅鋼和石墨接地體接地電阻值呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢， 兩種材料接地體均是在外延引線長度與輔助接地網(wǎng)長度比例為1∶1 時接地電阻值最小。鍍鋅鋼接地體的接地最小電阻值為22 Ω，石墨接地體的接地最小電阻值為17.2 Ω。 由于高頻電流的作用，趨膚效應(yīng)對接地材料影響增強，在任何比例結(jié)構(gòu)下， 石墨接地體的接地電阻均比鍍鋅鋼接地體的接地電阻小。經(jīng)計算，不同比例下的分流系數(shù)列于表4。

表4 不同比例下的分流系數(shù)Table 4 Diversion coefficients in different proportions %

由表4 可知， 當(dāng)單向輔助接地網(wǎng)的總長度一定時，隨著外延引線長度所占比例由大變小，石墨接地體分流系數(shù)先增大后減小， 但是變化趨勢不明顯， 這說明上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化對于石墨接地體分流作用影響不大； 鍍鋅鋼接地體分流系數(shù)先增大后減小，變化趨勢明顯。在外延引線長度與輔助接地網(wǎng)總長度之比為1∶1 的情況下， 兩種接地材料的單向輔助接地網(wǎng)中接地體的分流系數(shù)均為最大，石墨接地體分流系數(shù)可達到20%。 在鋪設(shè)風(fēng)電機組單向輔助接地網(wǎng)時， 建議選取石墨作為接地網(wǎng)材料， 并保持外延引線長度與輔助接地網(wǎng)長度比例為1∶1。

4 多向輔助接地網(wǎng)散流與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 均勻土壤條件下對散流特性的影響

在均勻土壤電阻率為1 000 Ω·m， 入地電流頻率為100 kHz，總幅值為100 kA 的條件下，設(shè)定單向輔助接地網(wǎng)和多向輔助接地網(wǎng)總長度為320 m，鋪設(shè)3 條外延引線和一條輔助接地網(wǎng)。 單根外延引線長度與輔助接地網(wǎng)長度比例為1∶1，多向平衡輔助接地網(wǎng)為兩側(cè)平衡鋪設(shè)長度相同的輔助接地網(wǎng)， 多向不平衡輔助接地網(wǎng)兩側(cè)鋪設(shè)長度比例為5∶3，3∶1，7∶1。 通過仿真計算不同結(jié)構(gòu)下的接地電阻如圖7 所示。

圖7 不同結(jié)構(gòu)下的接地電阻Fig.7 Grounding resistance under different structures

由圖7 仿真計算結(jié)果可知， 單向輔助接地網(wǎng)的接地電阻最高， 多向輔助接地網(wǎng)的接地電阻均比單向輔助接地網(wǎng)小。 這是由于單向輔助接地網(wǎng)的引流點少于多向輔助接地網(wǎng)， 不能將更多的入地電流擴散至終端。多向輔助接地網(wǎng)中，當(dāng)兩側(cè)長度相同時，接地電阻最小，鍍鋅鋼接地體接地電阻值為14 Ω，石墨接地體接地電阻值為10.2 Ω。 隨著兩側(cè)輔助接地網(wǎng)比例越來越不平衡， 接地電阻越大。 多向平衡輔助接地網(wǎng)可以最大限度地利用接地材料的有效散流長度及有效散流面積。 在不平衡輔助接地網(wǎng)中，對于有效散流長度的應(yīng)用不合理，導(dǎo)致散流不均勻。 在結(jié)構(gòu)相同的情況下，由于趨膚效應(yīng)的影響，石墨接地網(wǎng)比鍍鋅鋼接地網(wǎng)的接地電阻小。 實際運行經(jīng)驗表明，風(fēng)電機組的接地電阻限值在10 Ω 左右。 因此，建議在鋪設(shè)外延輔助接地網(wǎng)時，選用石墨作為接地材料，接地網(wǎng)形式宜選用多向平衡接地網(wǎng)。 仿真計算的分流系數(shù)如圖8 所示。

圖8 不同結(jié)構(gòu)下的分流系數(shù)Fig.8 Diversion coefficients under different structures

由圖8 可見，當(dāng)輔助接地網(wǎng)形式為多向輔助接地網(wǎng)時，鍍鋅鋼接地體和石墨接地體均具有良好的分流能力， 能將更多的入地電流散至終端，具有良好的分流作用。 多向平衡輔助接地網(wǎng)的分流系數(shù)在5 種結(jié)構(gòu)的接地網(wǎng)中最大，石墨接地體的分流系數(shù)達到了23%，鍍鋅鋼接地體的分流系數(shù)達到了21%，很大程度地緩解了主接地網(wǎng)的散流壓力，有利于降低接地電阻。 石墨接地網(wǎng)的分流系數(shù)比鍍鋅鋼接地網(wǎng)的分流系數(shù)大，在高頻入地電流的作用下，由于石墨接地體受趨膚效應(yīng)的影響小，更有利于入地電流的擴散。 為觀察多向平衡輔助接地網(wǎng)的散流過程，經(jīng)仿真計算得到如圖9 所示的結(jié)果。

圖9 多向平衡輔助接地網(wǎng)的散流情況Fig.9 Directional balanced auxiliary grounding grid dispersion

由圖9 可見， 鍍鋅鋼多向輔助接地網(wǎng)在主接地網(wǎng)以及外延引線前端部分散流多；隨著外延引線向終端延伸，散流逐漸減少，在輔助接地網(wǎng)中散流非常少。這是由于鍍鋅鋼接地材料受趨膚效應(yīng)的影響大，不利于入地電流向終端擴散，很多入地電流在多向輔助接地網(wǎng)前端已擴散至土壤。石墨接地體相對鍍鋅鋼接地體散流較均勻， 這是因為石墨接地材料直徑較大、相對磁導(dǎo)率小，受趨膚效應(yīng)的影響比鍍鋅鋼接地材料小。 由于屏蔽效應(yīng)的影響，在輔助接地網(wǎng)和外延引線的連接點處散流最少，并且由于石墨接地體受端部效應(yīng)的影響，接地網(wǎng)終端處和注流點處的散流多。在鋪設(shè)風(fēng)電機組接地網(wǎng)時，為了讓入地電流更好地擴散至接地網(wǎng)終端，獲得更好的分流、散流能力，建議選用石墨作為接地網(wǎng)材料。

4.2 分塊土壤條件下對散流特性的影響

在不同的山區(qū)位置， 山地土壤的電阻率會有所不同。 為研究在不均勻土壤電阻率下不同材料接地網(wǎng)的散流特性，將土壤垂直分塊，左側(cè)土壤電阻率為1 000 Ω·m，右側(cè)土壤電阻率為50，100，200，400，800，1 200 Ω·m。接地網(wǎng)形式為多向平衡輔助接地網(wǎng)， 外延引線和輔助接地網(wǎng)總長度為320 m（圖10）。

圖10 模型示意圖Fig.10 Model schematic diagram

各土壤分塊情況下計算的接地電阻如圖11所示。

圖11 分塊土壤條件下接地電阻Fig.11 Grounding resistance under block soil conditions

由圖11 可見，隨著多向輔助接地網(wǎng)右側(cè)土壤電阻率的增加， 鍍鋅鋼接地體和石墨接地體的接地電阻都有一定程度的增大。 石墨接地體的防雷接地電阻在10 Ω 左右， 能夠滿足風(fēng)電機組的接地要求，尤其是在土壤電阻率為50 Ω·m 時，防雷接地電阻僅有8 Ω 左右。 鍍鋅鋼接地體的防雷接地電阻最小為12 Ω， 不能滿足風(fēng)電機組接地要求。建議在鋪設(shè)風(fēng)電機組多向輔助接地網(wǎng)時，根據(jù)地理條件， 盡可能地將輔助接地網(wǎng)鋪設(shè)在土壤電阻率小的地方， 也可以通過局部換土的方式進行鋪設(shè)，以滿足風(fēng)電機組對接地電阻要求。接地網(wǎng)能夠最大限度地將入地電流擴散至終端是降低接地電阻的關(guān)鍵。 經(jīng)仿真計算得到的多向輔助接地網(wǎng)的分流系數(shù)如圖12 所示。

圖12 分塊土壤條件下分流系數(shù)Fig.12 Distribution coefficients under partitioned soil conditions

由圖12 仿真計算結(jié)果可見，右側(cè)土壤電阻率的改變對于鍍鋅鋼接地體分流系數(shù)的影響不明顯，為22%～22.5%。 當(dāng)右側(cè)土壤電阻率低時，石墨接地體和鍍鋅鋼接地體的分流系數(shù)比均勻土壤電阻率的分流系數(shù)大。 這表明當(dāng)輔助接地網(wǎng)在低土壤電阻率時， 有助于提高多向輔助接地網(wǎng)的分流能力，使更多的入地電流擴散至終端。與鍍鋅鋼接地體相比，石墨接地體的分流能力更強，當(dāng)土壤電阻率為50 Ω·m 時，其分流系數(shù)能夠達到24%。這是因為在高頻電流的作用下，鍍鋅鋼接地體受趨膚效應(yīng)影響而導(dǎo)致電流在線路中流通不均勻，石墨接地體相對磁導(dǎo)率小，受趨膚效應(yīng)影響相對較小。

5 結(jié)論

本文針對山脊風(fēng)電機組多向輔助接地網(wǎng)的散流特性和影響因素進行了仿真模擬， 得出以下結(jié)論。

①外延引線長度及數(shù)量對單向輔助接地網(wǎng)的接地電阻和分流作用影響顯著。 在外延引線長度為40 m 時，石墨接地體接地電阻最小，分流作用最好，散流特性穩(wěn)定。 隨著外延引線數(shù)量增加，鍍鋅鋼接地體和石墨接地體的接地電阻減小， 分流系數(shù)增大。從實際工程經(jīng)濟方面考慮，當(dāng)外延引線數(shù)量為4 根時，接地網(wǎng)能達到理想的分流效果。

②當(dāng)外延引線長度與輔助接地網(wǎng)長度相同時，鍍鋅鋼接地體和石墨接地體的接地電阻最小，分流作用最好。在高頻電流作用下，石墨接地體比鍍鋅鋼接地體的散流特性更加穩(wěn)定。 建議在實際工程中外延引線以及輔助接地網(wǎng)采用石墨接地體。

③在均勻土壤電阻率下， 多向平衡輔助接地網(wǎng)在總長度合適時， 接地電阻能夠滿足風(fēng)電機組的接地要求，且分流系數(shù)可達23%。 在實際工程中可以根據(jù)地形條件與施工面積靈活選擇， 盡可能將輔助接地網(wǎng)鋪設(shè)在土壤電阻率低的地方，有助于進一步減小接地電阻，提高分流能力。 另外，可以采取局部換土的措施，以獲得更好的分流、散流能力。