雷電沖擊下風(fēng)電機組接地系統(tǒng)暫態(tài)特性分析

史 柳,李立明,宣 明,李建陽

(國網(wǎng)吉林省電力有限公司超高壓公司,長春 130000)

0 引 言

隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的高效實施,風(fēng)電、光伏等可再生能源的發(fā)電規(guī)模不斷擴大,風(fēng)輪直徑及塔架高度不斷増加,風(fēng)機遭受雷擊概率越來越大[1]。由雷擊造成的葉片、機組電控設(shè)備損傷對風(fēng)電機組有極大危害[2],當(dāng)雷擊事故發(fā)生時,幅值極高的雷電流沿槳葉及塔筒注入風(fēng)機接地裝置,若沖擊接地電阻過大,接地體暫態(tài)電位異常升高,可能使被保護設(shè)備遭到反擊破壞[3]。風(fēng)機內(nèi)部電氣設(shè)備及控制系統(tǒng)的大部分故障是由雷電導(dǎo)致的地電位異常升高引起的,為此需提高風(fēng)機接地系統(tǒng)的暫態(tài)性能。目前風(fēng)力發(fā)電機組防雷接地保護應(yīng)用措施還有待完善。Olatz Ukar等[4]分析了風(fēng)機接地網(wǎng)不同幾何形狀,地網(wǎng)互聯(lián)對沖擊特性的影響;Vassiliki T K等[5]研究了風(fēng)機接地系統(tǒng)的設(shè)計方案以及如何減小地網(wǎng)接觸電壓和跨步電壓;Kazuo Yamamoto等[6]研究了低土壤電阻率地區(qū)的風(fēng)機接地網(wǎng)設(shè)計及接地參數(shù)計算;方超穎等[7]通過1∶100比例縮小的兩槳葉、三槳葉風(fēng)電機組模型進行模擬試驗,研究了接地電阻對風(fēng)機槳葉引雷能力的影響。

本文應(yīng)用矩量法建立風(fēng)機接地系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)值模型,計算風(fēng)機接地網(wǎng)雷電沖擊響應(yīng),并分析不同參數(shù)對暫態(tài)地電位升的影響,提出降低暫態(tài)地電位升的措施,為風(fēng)機防雷接地設(shè)計提供參考。

1 雷云對風(fēng)電機組的放電機理

雷電是一種強烈的大氣長距離放電現(xiàn)象[8]。雷云及其向下發(fā)展的先導(dǎo)通道中帶有大量的負電荷,隨著下行先導(dǎo)前端靠近機組,由于靜電感應(yīng)作用在機組上將感應(yīng)聚集大量正電荷,槳葉頂端的電場產(chǎn)生畸變,電場強度急劇增加,引起附近空氣發(fā)生電離,出現(xiàn)向上發(fā)展的先導(dǎo)放電。當(dāng)上行先導(dǎo)和下行先導(dǎo)連通時,就開始了回擊放電過程,使槳葉遭受雷擊[9]。由于槳葉發(fā)出的上行先導(dǎo)升空主動迎接雷云的下行先導(dǎo),導(dǎo)致下行先導(dǎo)前端在距槳葉較遠處就能與上行先導(dǎo)會合,這在一定程度上增加了機組遭受雷擊的概率。

2 建立風(fēng)機接地網(wǎng)暫態(tài)數(shù)值模型

2.1 基于矩量法建立地網(wǎng)數(shù)值計算模型

矩量法是根據(jù)導(dǎo)體內(nèi)外表面切向場強相等的邊界條件建立方程組,并求解導(dǎo)體內(nèi)縱向電流分布的方法[10]。基于矩量法原理,同時為提高計算精度,將接地網(wǎng)各導(dǎo)體進行剖分處理,劃分為若干導(dǎo)體段[11]。圖1為剖分后的局部地網(wǎng)支路示意圖,圖中各導(dǎo)體段的交點為節(jié)點。以導(dǎo)體段為例,其中k為導(dǎo)體段中點,k-與k+為節(jié)點,假設(shè)流過各導(dǎo)體段的軸向電流恒定且集中于導(dǎo)體軸線上,導(dǎo)體段的泄漏電流沿導(dǎo)體段中點流出[12]。

圖1 地網(wǎng)局部導(dǎo)體支路示意圖

基于導(dǎo)體表面外部電場的縱向分量應(yīng)等于內(nèi)部電場縱向分量的邊界條件,可以得到以下矩陣方程[13]:

jωMI+AV+ZI=0

(1)

式中:M為導(dǎo)體段互感矩陣;I為導(dǎo)體段軸向電流列向量;A為節(jié)點支路關(guān)聯(lián)矩陣;V為節(jié)點電壓列向量;Z為導(dǎo)體段自阻抗矩陣。其中V可表示為

V=RIe

(2)

式中:R為導(dǎo)體段互阻抗矩陣;Ie為泄漏電流列向量。

根據(jù)軸向電流與泄漏電流分布,可得如下關(guān)系:

Ie=ATI

(3)

式中:AT為A的轉(zhuǎn)置。

將式(2)和式(3)代入式(1)得到如下方程:

jωMI+ARATI+ZI=0

(4)

解方程(4)可得各導(dǎo)體段的軸向電流,進而求得接地網(wǎng)的泄漏電流分布及其他地網(wǎng)接地參數(shù)。

2.2 雷電流波形

電氣設(shè)備的雷電沖擊試驗與防雷設(shè)計要求將雷電波波形等值為可用公式表示的典型波形,雙指數(shù)波形是與雷電流波形最為接近的等值波形,其表達式為[14]

i(t)=KIm(e-αt-e-βt)

(5)

式中:K為波形的校正系數(shù);Im為雷電流幅值;α為波前衰減系數(shù);β為波尾衰減系數(shù),K、α和β由雷電流波形確定。表1為幾種常見雷電流波形的參數(shù)值。

表1 幾種常見雙指數(shù)雷電流波形的K、α和β值

2.3 對雷電流進行傅里葉變換

采用矩量法建立的地網(wǎng)數(shù)值模型是在時域中進行求解,為得到接地系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng),將雷電流進行傅里葉分解,將時域波形轉(zhuǎn)化為頻域信號,得到頻域方程:

(6)

進而計算接地體在每個正弦電流作用下的頻域響應(yīng),并將求得的數(shù)值進行快速傅里葉反變換,得到時域下的暫態(tài)接地參數(shù)[15-16]?；谝陨戏椒?通過Matlab編程計算分析風(fēng)機接地系統(tǒng)的暫態(tài)特性,圖2為接地網(wǎng)暫態(tài)計算流程圖。

圖2 接地網(wǎng)暫態(tài)計算流程圖

3 算例分析

取2.6/50 μs、幅值為10 kA的標(biāo)準雷電流波形進行計算,采用復(fù)合接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)以增加散流能力。如圖3所示,單臺風(fēng)機接地裝置以風(fēng)機塔筒中心為圓心鋪設(shè)水平環(huán)形接地體,其中內(nèi)圈圓環(huán)直徑為20 m,外圈圓環(huán)直徑為40 m,沿風(fēng)機塔筒向外敷設(shè)接地扁鋼與水平環(huán)形接地帶相交,并于交點處設(shè)置垂直接地極。接地導(dǎo)體材料采用60 mm×6 mm鍍鋅扁鋼,地網(wǎng)埋深為0.8 m。假設(shè)土壤為均勻模型,計算接地系統(tǒng)暫態(tài)電位,分析風(fēng)機接地網(wǎng)的暫態(tài)特性。

圖3 風(fēng)機接地裝置布置簡圖

3.1 雷電流波前時間的影響

圖4為改變雷電流波前時間,在不同土壤電阻率情況下暫態(tài)地電位升的變化曲線。從圖4可以看出:雷電流波前時間越短,暫態(tài)地電位升峰值越大,當(dāng)波前時間為4 μs時,曲線趨于平緩,地電位升變化緩慢;隨著土壤電阻率的升高,曲線陡度增加,受波前時間的影響越明顯。

圖4 不同雷電流波前時間下暫態(tài)地電位升變化曲線

3.2 與電流注入點距離的影響

雷電流沿風(fēng)機接地網(wǎng)中心注入,圖5為到電流注入點不同距離處的地網(wǎng)電位分布曲線。由圖5可以看出,在雷電流注入點處地電位升幅值最大,隨著距電流注入點距離的增大,地電位升逐漸降低。且在地網(wǎng)邊緣降低幅度增大,這是由于地網(wǎng)邊緣增設(shè)了垂直接地極,使雷電流更好地泄放,從而使地電位升降低明顯。

圖5 距電流注入點不同距離的暫態(tài)地電位升變化

3.3 水平接地極數(shù)量的影響

圖6計算了土壤電阻率為1 000 Ω·m時,在雷電流注入點附近增加水平接地帶對暫態(tài)地電位升峰值的影響。可以看出,增加水平接地帶后地電位升下降了40%,這是由于隨著接地極數(shù)量的增加和接地極間距減小,所能利用的土壤面積就越大,越利于散流,使暫態(tài)地電位升降低。當(dāng)接地帶數(shù)量增加到15根時,繼續(xù)增加曲線幾乎不再下降,主要是由于接地導(dǎo)體數(shù)量過多時,接地體間相互存在屏蔽效應(yīng),將妨礙每個接地體向土壤中擴散電流。因此根據(jù)實際工程情況,水平接地帶的鋪設(shè)也不應(yīng)過于密集。

圖6 隨著水平接地帶數(shù)量增加暫態(tài)地電位升峰值變化

3.4 地網(wǎng)面積的影響

圖7為不同風(fēng)機接地網(wǎng)面積下暫態(tài)地電位升峰值的變化曲線。

圖7 改變地網(wǎng)面積時暫態(tài)地電位升變化曲線

從圖7可以看出:隨著土壤電阻率升高,暫態(tài)地電位升近似成線性增加;擴大風(fēng)機接地網(wǎng)面積,地電位升峰值顯著降低,當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)直徑由80 m擴大到100 m時則降低效果趨緩,這主要是由于增大地網(wǎng)面積使得風(fēng)機接地裝置的沖擊接地電阻減小,從而降低了地電位升。當(dāng)雷擊風(fēng)力發(fā)電機組時,大量暫態(tài)電流沿槳葉和塔筒注入風(fēng)機接地裝置,雷電流頻率較高,使得接地導(dǎo)體呈現(xiàn)出明顯的電感效應(yīng),阻礙雷電流沿接地網(wǎng)遠端流動,因此接地網(wǎng)存在一定的沖擊有效面積,當(dāng)接地網(wǎng)超過這一有效面積時,超出部分接地體的作用較低。

4 降低接地裝置暫態(tài)地電位升

由于風(fēng)力發(fā)電的特殊性,風(fēng)電場通常選址于位置空曠,風(fēng)資源豐富的山頂、草原、灘涂等環(huán)境,這些位置地質(zhì)條件復(fù)雜,雷電環(huán)境較為惡劣,風(fēng)機遭受雷擊概率較高。傳統(tǒng)的風(fēng)機接地網(wǎng)設(shè)計主要基于經(jīng)驗公式及設(shè)計者的經(jīng)驗水平,存在一定的設(shè)計盲目性和隨機性,若接地電阻值測試不合格,建設(shè)單位將面臨巨大的改造工作量和投資,從而影響整個工程進度。結(jié)合算例分析結(jié)果和現(xiàn)場實際應(yīng)用,針對不同環(huán)境、不同土壤電阻率地區(qū),對風(fēng)機接地網(wǎng)設(shè)計提出一些建議,為風(fēng)機防雷接地工程設(shè)計實際應(yīng)用提供參考。

風(fēng)電機組遭受雷擊后,雷電流沿泄放通道經(jīng)風(fēng)機接地體流散入地,接地電阻的存在使接地網(wǎng)電位瞬間升高,導(dǎo)致通過引下線與其相連的設(shè)備外殼電位瞬時提高,易造成對設(shè)備內(nèi)部電路的反擊。且接地電阻越高,雷電流的泄放受阻越大,暫態(tài)電位分布越不均勻,越容易在風(fēng)電機組各部件間形成較大電位差,造成過電壓損壞。為降低風(fēng)機接地裝置暫態(tài)地電位升,必須降低接地系統(tǒng)的沖擊接地電阻。風(fēng)機本身的防雷及過電壓保護已由風(fēng)力發(fā)電機制造廠家在出廠前完成,但仍需對其配套設(shè)備及基礎(chǔ)進行防雷接地設(shè)計。國標(biāo)規(guī)定在進行風(fēng)電機組接地設(shè)計時,單臺風(fēng)機的沖擊接地電阻應(yīng)小于10 Ω[17]。

對于灘涂地及草原等土壤電阻率較低的地區(qū),影響沖擊接地電阻的參數(shù)主要是接地導(dǎo)體的電感效應(yīng),但由于土壤電阻率很低,單臺風(fēng)機接地一般能夠滿足要求。具體設(shè)計時,可根據(jù)實際工程地理情況,充分利用土建等設(shè)施作為自然接地體,以風(fēng)機基礎(chǔ)為中心根據(jù)基礎(chǔ)管樁位置鋪設(shè)多圈環(huán)形接地網(wǎng),接地網(wǎng)位于管樁上方并與其鋼筋網(wǎng)可靠連接,沿地網(wǎng)中心輻射向外鋪設(shè)接地扁鋼與接地帶相連接,必要時可增設(shè)垂直接地極加強散流。對于建立于土壤電阻率偏高的山區(qū)風(fēng)電場,可通過適當(dāng)擴大地網(wǎng)面積,采用復(fù)合接地網(wǎng),增加電流注入點附近接地導(dǎo)體密度,鋪設(shè)均壓帶等措施降低風(fēng)機接地系統(tǒng)沖擊接地電阻,以降低暫態(tài)地電位升,提高風(fēng)電機組的防雷性能,在風(fēng)機遭受雷擊時有效泄放雷電流。

5 結(jié) 語

通過建立風(fēng)機接地系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)值模型,充分考慮了鋼制接地網(wǎng)導(dǎo)體間自互阻抗影響計算接地參數(shù),通過Matlab編程計算分析風(fēng)機接地網(wǎng)雷電沖擊響應(yīng),計算結(jié)果較傳統(tǒng)計算方法更為精確。并結(jié)合不同地區(qū)環(huán)境風(fēng)機接地網(wǎng)實際應(yīng)用,提出風(fēng)力發(fā)電機組地網(wǎng)降阻設(shè)計中應(yīng)該注意的問題,為風(fēng)力發(fā)電機組接地網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計提供理論支持。

1) 以典型風(fēng)機接地網(wǎng)為例,采用2.6/50 μs標(biāo)準雷電流波形進行算例分析,研究不同參數(shù)對風(fēng)機接地網(wǎng)沖擊特性的影響。

2)研究分析表明,雷電流波前時間越短、波形越陡,暫態(tài)地電位升越大,且土壤電阻率越高,影響越明顯;電流注入點處的地電位升幅值最大,且隨著距電流注入點距離的增加,地電位升逐漸降低;在雷電流注入點附近增加水平接地帶數(shù)量能夠有效降低暫態(tài)地電位升及電位梯度;擴大地網(wǎng)面積,地電位升顯著降低,地網(wǎng)存在沖擊有效面積,超過有效面積,超出部分接地體作用較低。

3)實際工程應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合風(fēng)電場具體地理環(huán)境,土壤電阻率等參數(shù)情況合理設(shè)計風(fēng)機接地系統(tǒng),降低暫態(tài)地電位升,提高風(fēng)電機組防雷性能,保證風(fēng)電場人身及電氣設(shè)備安全。