涉及風(fēng)電場接地系統(tǒng)的人身安全性因素研究

王旭明， 董小瑞， 李 偉， 孫 偉， 弓君強， 樊 毅， 蘇 帥， 王鑫琪

(1.國網(wǎng)山西省電力公司運城供電公司, 山西 運城 044000； 2.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，西安 710100； 3.黃陵礦業(yè)煤矸石發(fā)電有限公司，陜西 延安 716000)

0 引言

2021年3月，李克強總理在全國人大四次會議開幕式上進行政府工作報告時提出了要扎實做好碳達峰、碳中和的各項工作。2021年10月，國務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達峰行動方案》中強調(diào)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型、大力發(fā)展新能源，在推進新能源可靠替代過程中逐步有序減少傳統(tǒng)能源，到2030年，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量達到12億千瓦以上[1]。在電力系統(tǒng)中，風(fēng)電、光伏、水電等可再生能源的占比對于實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)意義非凡，截止2021年底，我國的風(fēng)力發(fā)電裝機總?cè)萘恳堰_3.3億千瓦，預(yù)計2022年底我國風(fēng)電裝機總?cè)萘繉⑦_到3.8億千瓦[2]，而風(fēng)電機組通常安裝于高聳、開闊及近海位置，極易遭受雷擊，進而造成電氣設(shè)備故障或人身傷害，因此雷電防護成為風(fēng)電系統(tǒng)亟待研究的重要課題。

針對風(fēng)電場風(fēng)電機組遭受雷擊時的暫態(tài)過程，學(xué)者們進行了大量的研究，其中包括試驗研究、仿真計算和理論分析等方面：如文獻[3]在ATP-EMTP軟件中搭建了風(fēng)力發(fā)電機組的單機仿真計算模型，對機組各部位的雷電暫態(tài)響應(yīng)和過電壓分布情況進行了計算，并研究了機組接地網(wǎng)沖擊接地電阻在不同情況下的變化規(guī)律；文獻[4]中針對機組遭受直擊雷，分別以等值電路仿真計算和縮比模型試驗的方式研究了雷擊機組不同位置時對應(yīng)的過電壓數(shù)值計算；文獻[5]以試驗的形式，使用沖擊電流發(fā)生器對不同的機組雷電防護設(shè)計的復(fù)合材料進行了擊穿試驗；文獻[6]以機組停運數(shù)量為指標(biāo)，對比了鏈形、環(huán)形、星形等不同的機群拓撲結(jié)構(gòu)面臨雷擊故障時的可靠性；文獻[7]梳理出了5條亟待解決的大型風(fēng)電場遭受雷擊時的問題，包括風(fēng)電機組雷擊風(fēng)險評估方法、雷擊槳葉損傷機制等。但是鮮有文章對風(fēng)電場附近人員在遭受雷擊時的安全性問題進行研究。

IEC 61400-24中指出接地系統(tǒng)的設(shè)立目標(biāo)便是在電氣系統(tǒng)遭受工頻過電壓和雷擊過電壓時保護電氣設(shè)備的完整性和人身的安全性[8]。此外，相關(guān)文獻中對風(fēng)電場的接地系統(tǒng)的接地電阻值進行了規(guī)定，認為當(dāng)單臺風(fēng)電機組的工頻接地電阻值小于10 Ω時便可以滿足機組的防雷需求，但是這一數(shù)值的確定并未考慮到機組附近的接觸電壓和跨步電壓等，因此有可能存在接地電阻值合格，而工頻故障或雷擊故障時接觸電壓和跨步電壓等安全性參數(shù)大于人身所能承受的極限而使得人身安全受到威脅，因此有必要展開風(fēng)電場在面臨工頻過電壓和雷擊時的人身安全性因素研究，包括接觸電壓和跨步電壓等[9-11]。

CDEGS(Current Distribution, Electromagnetic Fields, Grounding and Soil Structure Analysis)軟件由加拿大安全工程服務(wù)與技術(shù)有限公司研發(fā)，在其中可以方便的建立電氣模型對電力系統(tǒng)接地、電磁場和雷擊故障等問題進行分析[12-13]。本研究將以典型的風(fēng)電場為例，在CDEGS軟件中建立起整個風(fēng)電場的仿真計算模型，分析風(fēng)電場在工頻過電壓和雷擊故障下的人身安全性因素變化情況，以便為此類事件發(fā)生時的安全措施制定提供可靠數(shù)據(jù)依據(jù)，為風(fēng)電場接地系統(tǒng)的改造升級提供理論依據(jù)，降低由于防范措施不足而導(dǎo)致的人身傷害事件發(fā)生率。

1 風(fēng)電場概況及研究方案

風(fēng)電場的接地系統(tǒng)主要包括升壓站接地網(wǎng)、桿塔接地體和機組接地網(wǎng)，這些接地網(wǎng)分布的空間范圍較為廣泛，相距距離往往可以達到數(shù)千米，并且每處接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和所處位置土壤電阻率通常也各不相同，甚至多個機組接地網(wǎng)相互連接來降低接地電阻值[14-16]。為了研究工頻過電壓和雷擊過電壓環(huán)境下風(fēng)電場接地系統(tǒng)的人身安全性參數(shù)，需要選取較為典型的風(fēng)電場進行研究，建立起風(fēng)電場接地系統(tǒng)的全域仿真計算模型，設(shè)置不同參數(shù)的工頻過電壓和雷擊過電壓故障情況來分析接觸電壓、跨步電壓等安全問題[17-21]。

1.1 風(fēng)電場一次接線

選取山西省某風(fēng)電場作為研究對象，該場總裝機容量50 MW，單機容量3.6 MW，規(guī)劃裝機14臺，機組額定功率因數(shù)cosφ=±0.95，額定輸出電壓690 V。每臺機組通過額定容量為4 000 kVA的預(yù)裝式箱式變電站升壓至35 kV后送至風(fēng)電場升壓站，其中包括94架集電線路鐵塔，共計3回集電線路。升壓站中使用1臺額定容量為50 MVA的變壓器將35 kV升壓至110 kV。升壓站由一回110 kV輸電線路連接至15 km外的220 kV樞紐變電站，與公共電網(wǎng)連接。其一次系統(tǒng)接線圖如圖1中所示。

1.2 單臺機組接地網(wǎng)模型

本研究中的分析選取其中7臺機組和升壓變電站作為研究對象，利用Wenner四極法現(xiàn)場測量各個機位、升壓站處的土壤電阻率，為了較高的計算精度，將各處的土壤電阻率均設(shè)置為2層土壤電阻率分層的模型。值得注意的是，土壤電阻率參數(shù)并非一成不變的，會隨季節(jié)、溫度和含水量等外界環(huán)境的變化而變化，文獻[22-26]中提供了可供參考的土壤電阻率季節(jié)修正系數(shù)，選取修正系數(shù)最大的8月份為例進行分析，以便能夠模擬最差的故障情況，修正后的各處土壤電阻率參數(shù)如表1中所示。

查閱機組的接地網(wǎng)平面設(shè)計圖可知，單個機組接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖2中所示，包括塔基混凝土中的鋼筋結(jié)構(gòu)和周圍鋪設(shè)的人工接地網(wǎng)兩部分：其中塔基半徑7 m，包括混凝土樁和混凝土重力平板，重力平板的下方等間隔的分布著兩圈混凝土樁，塔基中的鋼筋結(jié)構(gòu)材料的等效截面直徑為3.5 cm，混凝土樁中鋼筋籠的直徑為1 m，長度15 m；人工接地網(wǎng)沿著塔基環(huán)繞一圈，距離塔基邊緣為3 m，埋深1 m，人工接地網(wǎng)中的金屬材料等效直徑為6 cm，通過4根金屬與塔基中的鋼筋結(jié)構(gòu)相連。各個機組和升壓站的工頻接地電阻值根據(jù)表1中的土壤參數(shù)和圖2中的接地體結(jié)構(gòu)進行確定，表1中也列出了計算得到的各個機組和升壓站的接地電阻值。

表1 各處土壤電阻率參數(shù)Table 1 Soil resistivity parameters

圖2 單臺風(fēng)電機組的接地網(wǎng)計算模型Fig.2 Calculation model of grounding grid for single wind turbine

1.3 風(fēng)電場仿真計算模型

基于該風(fēng)電場的地理接線圖，在CDEGS軟件中建立起7臺機組和升壓變電站的接地系統(tǒng)仿真計算模型，俯視圖如圖3中所示，包括升壓站接地網(wǎng)、35 kV輸電線路桿塔接地體、架空地線、7臺機組的接地網(wǎng)等?？梢郧蠼獬鰣D3模型中各處發(fā)生過電壓故障時的各處電位分布情況，進而評估風(fēng)電場接地系統(tǒng)的安全性。

圖3 風(fēng)電場接地系統(tǒng)的全域計算模型Fig.3 Global calculation model of wind farm grounding system

1.4 研究方案

為了研究涉及風(fēng)電場接地系統(tǒng)的人身安全性參數(shù)特性，需要模擬不同的故障電流分布情況，包括工頻過電流和雷擊過電流兩種情況，其中工頻過電流包括升壓站110 kV側(cè)、升壓站35 kV側(cè)等不同位置的情形，雷擊過電流則主要研究雷擊中各個機組時的電位分布情況。以便評估整個風(fēng)電場接地系統(tǒng)的安全性能。

主要需要考慮升壓站接地和機組接地之間通過架空地線的連接，因為在升壓站內(nèi)發(fā)生的故障可能通過架空地線傳播至各個機組或者箱變，影響機組的穩(wěn)定運行。因此，發(fā)生在升壓站低壓側(cè)或高壓側(cè)故障可能會蔓延到每臺風(fēng)電機組，在機組處形成較高的轉(zhuǎn)移電位，威脅附近工作人員的安全。值得注意的是：工頻和雷擊故障條件下的風(fēng)電場周圍人員人身安全性，并未涉及到風(fēng)電場電氣設(shè)備的安全性研究，建立的模型也僅供研究風(fēng)電場接地系統(tǒng)的人身安全性，并不針對設(shè)備安全性。

2 工頻故障分析

單相接地故障時的故障電流最為常見，故在仿真過程中即以站內(nèi)單相接地故障為例分析該種情況下變電站接地網(wǎng)的安全性能。需要具體模擬工頻故障和雷擊故障下的接地系統(tǒng)安全性，其中工頻故障包括2處：升壓站的110 kV側(cè)、35 kV側(cè)分別故障，來評估電位從升壓站的高壓側(cè)轉(zhuǎn)移到機組處的情形。

2.1 GPR及故障電流分布

表2中列出了110 kV升壓站的35 kV低壓側(cè)發(fā)生500 A單相接地故障時在7臺機組處監(jiān)測到的最大地電位升(GPR)和最大故障電流值，同理，表3中列出了110 kV側(cè)發(fā)生10 kA單相接地故障時在各個機組處監(jiān)測到的最大地電位升(GPR)和最大故障電流值。

表2 升壓站低壓側(cè)接地時的監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 2 Monitoring data during grounding at low voltage side of booster station

表3 升壓站高壓側(cè)接地時的監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 3 Monitoring data during grounding at high voltage side of booster station

2.2 安全參數(shù)閾值確定

通過腳接觸電阻率、故障清除時間等因素的制約，IEEE Standard 80-2000中規(guī)定了接觸電壓和跨步電壓的安全限值[27]，根據(jù)這一計算方法可以確定本模型中的接觸電壓與跨步電壓安全限值，如表4中所示。

表4 工頻故障時的安全限值Table 4 Safety limits in case of power frequency failure

2.3 安全性能分析

根據(jù)升壓站的110 kV側(cè)、35 kV側(cè)分別發(fā)生工頻接地故障時，所計算得到的不同機組位置處的GPR值，對機組附近人員存在威脅的接觸電壓和跨步電壓進行分析，分別選取GPR最大值的機組進行分析，35 kV側(cè)故障時7號機組處的GPR最大，選擇7號機組進行安全性能分析。同理，110 kV側(cè)故障時，選擇1號機組進行安全性能分析。

對其中一處的安全性能分析進行詳細解讀，如圖4中所示，繪制出了當(dāng)升壓站110 kV側(cè)故障時1號機組處距離金屬構(gòu)件1 m之外的接觸電壓分布情況，需要說明的是，圖4中網(wǎng)格狀物體為機組附近的箱變接地網(wǎng)，可以觀察到此時接觸電壓最大值為493.53 V，遠高于表4中159.1 V的安全閾值。1號機組附近的跨步電壓分布情況如圖5中所示，跨步電壓同樣超出了259.6 V的閾值。在該種故障情況下，存在人身傷亡的風(fēng)險。

圖4 高壓側(cè)接地故障時機組附近的接觸電壓分布Fig.4 Contact voltage distribution near the unit in case of grounding fault at high voltage side

圖5 高壓側(cè)接地故障時機組附近的跨步電壓分布Fig.5 Step voltage distribution near the unit in case of grounding fault at high voltage side

同理，計算得到升壓站35 kV工頻故障時7號機組處的接觸電壓和跨步電壓分別如圖6、圖7中所示，接觸電壓最大值為38.56 V，跨步電壓最大值為7.72 V，均低于安全閾值，人身傷亡風(fēng)險較低。

圖6 低壓側(cè)接地故障時機組附近的接觸電壓分布Fig.6 Contact voltage distribution near the unit in case of low voltage side grounding fault

圖7 低壓側(cè)接地故障時機組附近的跨步電壓分布Fig.7 Step voltage distribution near the unit in case of low voltage side grounding fault

3 雷擊故障分析

3.1 機組遭受雷擊的模型

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組的接地電阻值偏高時，雷擊風(fēng)力發(fā)電機組可能會產(chǎn)生較高的GPR，使附近工作人員所能接觸范圍內(nèi)的接觸電壓、跨步電壓值升高，進而對人身安全產(chǎn)生危害。除此之外，電力電纜及其護層保護器、箱變各相及二次系統(tǒng)對地之間也可能產(chǎn)生較高的電位差。

風(fēng)電場的實測數(shù)據(jù)顯示，在機艙、輪轂、塔架、葉片等機組部件中，雷閃最容易擊中葉片的尖端，雷擊造成單個葉片損壞的概率為96.6%，兩個葉片損壞的概率為2.7%，三葉片均損壞的概率僅為0.7%[4,28]?？梢娎纂娏鲹糁腥~片，經(jīng)輪轂流入機艙、進而沿著塔筒流入接地裝置，是大部分雷電流的散流路徑。此外，有學(xué)者針對風(fēng)力發(fā)電機組遭受直擊雷的研究表明，考慮機組的地上結(jié)構(gòu)(塔筒、基座等)時，雷擊高頻環(huán)境下的沖擊接地電阻值要遠大于工頻電流泄漏時對應(yīng)的工頻接地電阻值，并且雷擊時對應(yīng)的GPR也要高于工頻環(huán)境[10]。綜上所述，雷擊故障與第2節(jié)中研究的工頻故障不同，有必要建立一個能將雷閃相關(guān)現(xiàn)象和路徑納入考慮范圍的計算模型，如圖8中所示為建立的機組地上結(jié)構(gòu)及其接地網(wǎng)的計算模型，圖8中也設(shè)置了工作人員在機組附近地面以及進入塔筒的扶梯上，用于計算雷擊瞬間人體內(nèi)部流過的暫態(tài)電流特性。

圖8 整個風(fēng)電機組的暫態(tài)計算模型Fig.8 Transient calculation model of the whole wind turbine

假設(shè)風(fēng)電機組遭受到了標(biāo)準(zhǔn)沖擊波形的雷電流侵入，雷電流沿著機組的一個葉片端部流入，并沿著輪轂和塔筒流向了接地網(wǎng)。雷擊風(fēng)電機組是一個暫態(tài)過程，下文中將對雷擊風(fēng)電機組的暫態(tài)特性進行分析。

3.2 安全參數(shù)閾值確定

GB/T 13870.2-2016中關(guān)于短時單向單脈沖電流對人體的放電效果做了較為詳細的論述[29]，如圖9中所示，電容器放電產(chǎn)生的短時單向單脈沖電流可能是一種危險源。當(dāng)放電引起人體心室纖維性顫動時，會對人體生命安全造成威脅，心室纖維性顫動閾取決于脈沖電流的波形、持續(xù)時間和量值，脈沖開始時的心臟時相，電流在人體內(nèi)的通路和個人的生理特點。使用的是比致顫能量Fe作為閾值進行判斷。而雷電流便屬于短時單向單脈沖電流，可以應(yīng)用該種方案判斷雷電流流過人體時的安全性能。

圖9 單向脈沖電容放電的電流波形Fig.9 Current waveform of unidirectional pulse capacitor discharge

在圖9中，IC(p)為電容器放電的峰值，ICrms為持續(xù)時間為3T的電容器放電電流的方均根值。設(shè)Ri為初始人體電阻，Ut為人體接觸電壓[30-31]，則IC(p)由下式確定：

(1)

對于時間常數(shù)為T的電容器放電，有下式成立：

(2)

式(2)中：

(3)

式(3)中，IL為左腳到右腳之間流過的電流峰值；IC(p)為路徑為左手到雙腳的人體電流峰值；F為心臟-電流系數(shù)，取值0.04。

對于接觸電壓安全閾值有如下限制條件成立：

對于跨步電壓安全閾值有如下限制條件成立：

IEEE推薦的雷電流幅值累積概率分布公式如式(4)所示[32]：

(4)

式(4)中：I為雷電流幅值，kA；P(>I)為雷電流幅值超過I的概率；a、b為待定參數(shù)，IEEE推薦為a=31、b=2.6。分析式(4)可知，幅值在50 kA以上的雷電活動發(fā)生概率小于22%。誠然，雷電流幅值會高達數(shù)百千安，這樣的極端雷電流幅值可能會對一次電氣設(shè)備及二次保護等造成危害，但是文章主要對雷擊機組時的人身安全性因素開展研究，并沒有針對電力設(shè)備的安全性進行分析，所以選取幅值為50 kA幅值雷電流進行分析便具有代表意義。

3.3 安全性能分析

假設(shè)波形分別為2.6/50 μs、8/20 μs，幅值分別為50 kA的2種雷電流擊中機組，計算可以得到流過接觸金屬扶梯人員的暫態(tài)電流如圖10、圖11中所示。

圖10 流過人體的暫態(tài)電流IC(p)Fig.10 Transient current IC (P) flowing through human body during lightning stroke with different waveforms

圖11 左腳到右腳之間流過的暫態(tài)電流ILFig.11 Transient current IL flowing from left foot to right foot

從圖10、圖11中可知：2.6/50 μs波形雷電流對應(yīng)流過人體的電流最大值IC(p)為177.1 A，左腳到右腳之間流過的電流IL為23.8 A。同理可以得到8/20 μs波形雷電流雷擊時的對應(yīng)數(shù)值，詳細參數(shù)如表5中所示?？梢姰?dāng)50 kA不同波形的雷電流擊中機組時，對應(yīng)接觸電壓的IC(p)均能滿足安全要求，而對應(yīng)跨步電壓的IL卻均高于安全限值的要求，針對這一點提出如下兩種解決方案：

1)在人員易工作和出現(xiàn)的區(qū)域鋪設(shè)礫石等高電阻率鋪層，用于提高安全閾值，鋪層的厚度和電阻率均將影響到安全閾值的水平。

2)降低機組接地網(wǎng)的沖擊接地電阻值，進而達到降低IL的效果。

表5 機組遭受雷擊時的人身安全性判決數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 5 Statistics of personal safety judgment data when the unit is struck by lightning

在這里嘗試將兩臺風(fēng)電機組的接地網(wǎng)進行串聯(lián)來進行降阻，機組接地網(wǎng)可以通過埋設(shè)在地下的金屬導(dǎo)體(接地網(wǎng)互聯(lián)導(dǎo)體)相互連接，若1號機組與2號機組的接地網(wǎng)互聯(lián)，當(dāng)2號機組發(fā)生故障時有故障電流流入接地網(wǎng)，那么接地網(wǎng)互聯(lián)導(dǎo)體勢必將參與故障電流的分配，然后1號機組的接地網(wǎng)也將參與到故障電流的散流任務(wù)中。所以在下文中將對兩臺接地網(wǎng)互聯(lián)時的安全性能進行分析，對比單臺機組接地網(wǎng)和兩臺機組接地網(wǎng)互聯(lián)時的人身安全性因素。

圖12 兩臺機組接地網(wǎng)互聯(lián)后左腳到右腳之間流過的暫態(tài)電流ILFig.12 Transient current IL flowing from left foot to right foot after interconnection of grounding grids of two units

當(dāng)雷電流幅值為50 kA時，如圖12中所示繪制出了兩臺機組接地網(wǎng)互聯(lián)后，流過人員身體電流IC(p)的時域變化，可見兩臺機組的接地網(wǎng)互聯(lián)后會在很大程度上限值通過人體的電流峰值，2.6/50 μs波形雷電流對應(yīng)流過人體的電流最大值IC(p)在互聯(lián)前后降低了78.4%，8/20 μs波形雷電流對應(yīng)流過人體的電流最大值IC(p)在互聯(lián)前后降低了81.4%。相對應(yīng)可以分析人員接觸電壓的安全性如表5中所示，可見機組互聯(lián)后均能將比致顫能量Fe限制在安全范圍以內(nèi)。

4 結(jié)論

較為系統(tǒng)對風(fēng)電場遭受工頻過電壓侵入與雷擊機組時的情況進行了計算，著重來分析和風(fēng)電場接地系統(tǒng)有關(guān)的接觸電壓、跨步電壓等人身安全性因素，分析表明：

1)在相同計算參數(shù)下，升壓站的高壓側(cè)發(fā)生工頻接地故障對人身的危害性要高于低壓側(cè)故障。針對這一問題可以通過在機組附近鋪設(shè)一定厚度的高阻層，或者通過對升壓站及機組的接地網(wǎng)進行降阻來提高安全性。

2)即使單臺機組的接地網(wǎng)工頻接地電阻值在1Ω～5Ω，當(dāng)機組遭受雷擊故障時，50 kA幅值的雷電流將會使機組附近的接觸電壓和跨步電壓瞬間升高至威脅到人身安全的程度，尤其是接觸電壓將會使周圍人員產(chǎn)生心室纖維性顫動。

3)針對雷擊機組時的周圍人員接觸電壓不滿足安全性要求的情況，將兩臺機組的接地網(wǎng)進行互聯(lián)可以在很大程度上限值流過人體的暫態(tài)電流。

4)由于風(fēng)電機組地處環(huán)境各異，為了保證人身安全，在進行風(fēng)電場接地系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)將人員安全性納入考慮范圍，結(jié)合機組位置處的土壤、地理環(huán)境合理確定接地方案。

本研究僅針對指定的風(fēng)電場接地系統(tǒng)，對人身安全性因素進行了示范性分析，得出的結(jié)論并不能夠完全適用于其余的風(fēng)電場接地系統(tǒng)，但是對于具體的問題可以借鑒該思路和方法進行安全校驗。未來工作中將會把極端雷電流幅值下的風(fēng)電場電力設(shè)備安全性納入研究范圍。