风电机组接地网冲击特性的研究

张国光，张国熠，于同泽

(1.湖南省电力公司超高压管理局，湖南长沙410000;2.浙江国华浙能发电有限公司，浙江 宁海315612;3.吉林省电力有限公司吉林供电公司，吉林 吉林132012)

0 引言

能源和环境问题是当今世界各国最为关注的问题。在已知的绿色新能源中，风能作为永不枯竭的能源已日益受到世界各国的高度重视［1］。近二十多年，风力发电成本持续下降，产业不断成长壮大。目前，风电机组的单机容量越来越大［2］。为吸收更多能量，随着轮毂高度和叶轮直径的增高，相对也增加了被雷击的风险。雷电释放的巨大能量，会造成风电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿，当雷电流流过风电机组塔筒时会对其中的传输、通信与控制线路产生感应过电压，这些暂态过电压将对风电机组的正常运行造成影响［3，4］。对此，本文运用场路结合［5，6］的思想建立了接地网暂态电路模型，利用快速傅里叶变换在频域内对雷电流进行了分解，在考虑土壤击穿的情况下，用频域时域相结合的方法分析了接地网的雷电暂态特性，并系统分析了地电位升高对传输、通信和控制电缆最外绝缘层的影响。

1 接地网等效电路模型

计算接地阻抗时，应考虑接地导体的电感和导体间的互感、电容耦合等因素，因此，建立接地网等效电路模型时应做如下假设:

假设1:接地网由r根导体和n个节点构成，图1是接地网中节点k的等效电路，在每段导体k上有一个沿导体方向的轴向电流和一个流散到周围土壤中的泄漏电流，导体上的泄露电流等分到相邻两节点入地。

假设2:当雷电流¯Fk注入接地网时，由于导体的电感和导体间的互感、电容耦合等因素的影响，接地网不同节点的电位差将不为零。取无穷远处为参考点，接地网各支路电压等于其端点电压的平均值。

图1 接地网节点的等效电路

式(1)中l和m是k支路的两个端点。对于所有的支路和节点就有一个矩阵关系:式中:是 r条支路的电压列向量;是 n 个节点电压的列向量;［K］是r×n阶矩阵，当支路i与节点j相连时，［K］矩阵中的元素Kij=0.5，否则为零。

接地网各支路上的阻抗除了自感、互感和电阻外，还受到周围土壤介质的容性效应影响，每条支路k都有一个泄漏电流流入大地，考虑各支路的电压和泄漏电流可得到:

其中，如果节点 j与支路 k相连Ck，j=1，否则等于零。则(4)式可以写成:

其中，［K］t是(2)式中用到的［K］的转置。

通过以上分析，运用电路中的节点电压法，可以得到如下表达式:

其中，［Y］是节点导纳矩阵，联立上述表达式可得:

2 土壤击穿时接地网的暂态电路模型

冲击雷电流作用下，接地导体周围的泄漏电流密度会很大，当泄露电流所产生的场强超过土壤的临界击穿场强时，土壤会有火花放电现象产生。国内外学者通过大量的试验研究，最终建议土壤的临界击穿场强取 300 kV/m［7］。

建立接地网暂态电路模型时需要进行如下的推理:

推理1:假设接地导体的等值半径与其导体自身长度相比很小，每段导体均化分为多个小段，其泄漏电流等分到两端点流出。

推理2:只要电场强度超过土壤的临界击穿场强Ec，就会有火花放电现象发生，即土壤电离。当土壤发生电离时，由于电离区域土壤的电阻率极低，可以等效为接地导体半径的增大。导体等效电离半径rc处的电场强度等于Ec。

推理3:由于电流只能在导体的内部流动，因此土壤电离只影响导体对地的电导和电容，而对接地导体间的自互感没有影响。

根据以上推理，接地网暂态电路模型的计算过程包括如下几个步骤:

步骤1:将雷电流时域波形F(t)利用快速傅立叶变换转换为频域信号F(ω)。

步骤2:在频域范围内计算泄漏电流I(ω)和节点电压V(ω)。

步骤3:电流密度J与磁场强度E有密切联系，在已知接地导体长度 l、等效半径r和泄漏电流I时，电流密度J可用下式表示:

电流密度J与磁场强度E的关系式为:J=σE+jωεE，可得:

步骤4:将电场强度利用傅立叶反变换由频域E(ω)转换为时域E(t)，如果E(t)超过临界击穿场强Ec，则导体半径需用土壤电离后的等效半径rc代替，其表达式为:

步骤5:将导体半径用等效半径rc替代后需生成新的［G］阵。泄漏电流I(t)和电场强度E(t)会随着［G］阵的改变而改变，直到满足精度要求:

程序流程图如图2所示。

图2 接地网暂态程序流程图

3 风电机组防雷接地与过电压计算

风电机组做接地系统设计时，已经充分考虑了接地系统的工频特性，而其冲击特性经常被忽略。发生雷击事故时，高频雷电流会使风电场地电位急剧上升，这些暂态过电压将对风电机组的正常运行造成影响。因此，研究风力发电机接地系统的冲击和工频特性具有非常重要的意义。

3.1 计算结果验证

为了验证本文的接地网雷电暂态分析方法的有效性，对文献［10］中给出的数据进行了计算分析。接地网为60 m×60 m，其地下埋深为h=1 m，横向和纵向的分段数都为6且为等间距排列，导体材料为铜材，导体半径r=0.01 m，土壤为单层结构电阻率为 ρ=100 Ωm。雷电波形为2.6/50 μs，幅值为10 kA，从(0，0，－1)点注入，总计算时间为 300 μs。对接地网上点(0，0，－1)和(10，10，－1)的电位进行了仿真计算，计算结果如图3所示。将所得的计算结果与文献［10］中应用国际接地计算软件CDEGS的计算结果如图4所示，进行对比分析，得出本文计算方法正确无误。

3.2 风电机组防雷接地

雷电流都是通过风电机组本身的防雷设备，最终将雷电流导入接地网，并向大地散流。因此，良好的接地系统是风电场安全运行的前提。

图3 接地网节点电位计算结果

图4 CDEGS计算结果比较图

根据风力发电机所处的位置地形情况，单台风电机组的接地系统采用以风电机组基础为中心设置环形水平接地带，风电机组基础的材料为钢筋混凝土，主要起固定风电机组塔筒和辅助散流的作用［8］。并且要在风电机组中心向外敷设3根以上接地扁钢与环形水平接地带相连，图5为单台风电机组接地网简图。在环形水平接地带与敷设水平接地带相交处设置垂直接地极。

图5 风电机组接地网简图

距离风电机组15 m处设有升压箱变，升压箱变的低压侧与风电机组发电机的输入端相连，高压侧与远处变电站相连，一般情况下变压器的低压侧都设计成中性点接地的星型接法，而高压侧则是与地电位隔离的三角形接法［9］，图6是风电场的典型电气设备布置。

图6 风电场电气设备布置

由实验数据可知，当有冲击雷电流入地时，接地网的地电位急剧上升将引起升压箱变的输入端与输出端存在着巨大电位差。如果升压箱变低压侧没有安装SPD(雷电浪涌保护器)或SPD不合格的情况下，升压箱变极易被雷电损坏。

3.3 土壤电离对接地网冲击阻抗的影响

风电机组接地网半径为10 m，埋深为h=1 m，导体材料为铜材，半径为r=0.01 m，土壤为单层结构电阻率为 ρ=150 Ωm。雷电波形为2.6/50 μs，幅值为200 kA，总计算时间为300 μs，由接地网中心入地。图7为是否考虑土壤电离时计算的冲击接地阻抗对比图。由计算结果可知，大雷电流入地引起的最大土壤电离半径rc可达到0.35 m，考虑电离前后，接地网冲击电阻由原来的5.69 Ω变为5.02 Ω，下降了11.78%。因此，当有大雷电流入地的情况下，计算接地网冲击接地阻抗，考虑土壤电离是必要的。

图7 电离前后的冲击接地阻抗

3.4 过电压对电缆最外绝缘层的影响

雷击产生过电压时，接地网周围地电位将急剧上升。此时，传输、通信和控制电缆最外绝缘层所承受的电压为电缆屏蔽层与周围土壤之间的电位差。

如果电缆屏蔽层在远处接地，则其接地端的电位将与该地的电位基本相同，在风电机组接地网附近的电缆屏蔽层上产生感应电压值将高于电缆屏蔽层接地端。以本文采用的接地网结构与数据为例，如果击中风电机组塔筒的雷电流峰值达到10 kA，电缆最外绝缘层的电位大约可达到50 kV。此时，最外绝缘层上的电位随电缆与风电机组接地网距离变化的图像见图8a。当电缆屏蔽层在风电机组接地网附近接地时，其电位将与风电机组接地网附近的土壤相同，距风电机组接地网较远处的电缆最外绝缘层电位高于电缆屏蔽层接地端，如图8b所示。

风电机组发生雷击事故时，雷电流的波头越陡峭，产生的过电压将越大。电缆最外绝缘层上形成的过电压会对其绝缘造成破坏，严重时会使电缆屏蔽层与其周围土壤发生放电。

图8 最外绝缘层上的过电压

4 结论

在考虑土壤电离特性的基础上，通过建立接地网暂态电路模型对雷击作用下接地网的暂态特性进行了研究。研究结果表明:a.雷电冲击引起的土壤电离，可以增强接地网的散流能力，降低接地网的峰值电压。b.升压箱变的输入端与输出端存在着巨大电位差，为确保升压箱变的安全运行应在其低压侧安装雷电浪涌保护器。c.埋设在地下的传输、通信和控制电缆的屏蔽层在风电机组接地网的附近或较远处接地时，电缆的屏蔽层与其周围土壤会有很高的电位差，这将对电缆最外绝缘层构成威胁，所以，应引起相关人员高度注意。

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