风机接地系统雷击暂态特性分析

万兴玉，张忠会

（南昌大学信息工程学院，南昌330031）

0 引言

推动风能等可再生能源的发展已经成为全球能源革命的趋势，风电在我国已经成为仅次于火电和水电的第三大电源[1]，发展前景广阔。风电行业的迅速发展也遭受日益严重的雷电灾害威胁。在风电机组的雷电防护当中，风机接地系统至关重要[2]。以往运行经验也表明，对于风电机组直击雷的防护，降低接地系统电阻最为行之有效[3-4]。但是对于风电机组雷击暂态效应的研究多采用工频接地电阻[5-6]，而冲击电流作用下接地体系统的泄流与工频状态存在很大差异[7]，即使考虑了雷电流在接地体中的有损传输过程[8]也很难考虑火花放电引起的土壤电离，因此研究得到的雷击暂态效应数据不能有效指导风电机组的雷电防护。

笔者通过EMTP软件[9]建立典型风机接地系统模型，考虑雷电流流经接地装置时火花效应引起的土壤电离作用对暂态电位的影响。分析土壤电阻率、接地装置尺寸、接地装置形状对风机接地系统雷击暂态电位的影响，讨论外引接地对于降低暂态电位的防护效果，为风力发电机的雷电防护提供理论参考。

1 仿真模型

1.1 雷电流模型

雷电流波形采用Heidler函数[10]表示，表达式为

式中：Im，I0为峰值电流，kA；τ1和τ2为波头时间常数和波尾时间常数，μs；n为电流陡度因子，取n=2或10。回击通道等值波阻抗和雷电流幅值相关，根据相关规范[11]选取。

1.2 叶片和塔筒模型

为了考虑雷电流在叶片和塔体上传播的波过程，将二者用波阻抗模型表示[12]。

叶片波阻抗计算如下[13]：

式中：lb为叶片长度；rb为叶片等效半径。

塔筒波阻抗计算如下：

式中，ht为塔筒高度；rt为叶片等效半径。

1.3 接地装置模型

接地体在雷电流作用下会呈现复杂的电磁暂态特性，这与工频状态有很大不同。雷电流幅值较大时，接地体会发生火花放电效应[14]，从而击穿周围土壤产生电离现象。火花效应的存在相当于增加了接地体的直径，降低了冲击接地电阻。同时接地体自身电感的存在阻碍了高频雷电流成分向远端传播，增大了冲击接地电阻，称为电感效应。

为了全面考虑火花效应和电感效应对接地体泄流过程的影响，将接地体等效成有损长线，由电感、电容、电导和电阻组成，电路模型如图1所示[15]。

图1 接地体的等效电路模型Fig.1 Equivalent circuit model of the grounding electrode

图1中R0、L0分别为单位长度电阻及电感；G0、C0分别为单位长度对地电导及电容，具体计算由下列公式确定：

式中，ρc为接地体电阻率；l0为接地体长度；a为接地体半径。

式中，ρs为土壤电阻率，h为接地体埋深。

式中，εs为土壤介电常数；εa为空气介电常数。

火花效应导致的土壤电离对接地体电感和电阻基本没有影响，对地电容影响也较小，主要影响对地电导[16]。由于EMTP中没有时变电导元件，因此用时变电阻来替代。

当接地体承受雷电流冲击时，周围土壤电场强度如果超过其临界击穿场强，土壤发生电离，将其等效为接地体等效半径的增大，接地体各段的等效半径可通过下式求取[17]：

式中，Δik为流经第k段接地体的电流；Jk为第k段导体的电流密度；Ec为土壤临界击穿场强。

土壤临界击穿场强受土壤电阻率影响，具体计算如下：

通过式（8）-（10）可确定临界击穿电流：

得到可变电阻与电流的关系[17]：

构建的地网模型[18]如图2所示，正六边形水平地网边长20 m，埋深为0.6 m，导体交叉处增设垂直接地棒，长度2 m，接地体直径10 mm，接地体电阻率2.5×10-7Ω·m，土壤电阻率为500 Ω·m，土壤相对介电常数取10。雷电流幅值10 kA，波形为2.6/50 μs。

图2 接地网模型Fig.2 Model of the grounding system

2 仿真结果

2.1 暂态电位波形

图3给出了考虑火花效应前后的风机地网中心暂态电位。

图3 暂态过电压波形Fig.3 Waveform oftransient voltage on the grounding system

通过图3比较可以看出，考虑雷电流冲击产生的火花效应后，地网暂态电位明显下降，由118 kV降至86 kV，因为火花效应降低了地网的冲击接地电阻。

表1给出了不同土壤电阻率下地网中心暂态电位。

表1 土壤电阻率对地网暂态电位影响Table1 Effect of soil resistivity on transient voltages

由表1可以看出，随着土壤电阻率的升高，地网中心暂态电位也不断增加。土壤电阻率越大，暂态电位增加幅度越明显，这是因为较高的土壤电阻率增加了雷电流的泄放难度和土壤击穿难度。

2.2 地网尺寸影响

图4给出了不同尺寸的接地装置下的地网中心暂态电位。

图4 接地网边长对暂态过电压影响Fig.4 Effect of size of grounding system on transient voltages

从图4中可以看出，地网边长从10m扩大到20m，地网暂态电位迅速减小，下降了42%。但是随着地网尺寸的进一步增大，电位下降幅度趋缓，边长从40 m扩大到50 m，电位仅下降了2.3%。与工频状态下全部地网导体起散流作用不同，雷电流冲击作用下，由于电感效应，只有电流注入点附近一部分导体起散流作用，整个地网并未得到充分利用。

2.3 地网形状影响

图5给出了地网形状对地网中心电位的影响。

图5 接地网形状对暂态过电压影响Fig.5 Effect of shape of grounding system on transient voltages

从图5可以看出，地网边数越多，越趋向圆形，中心暂态电位越低。但是随着地网边数的增多，中心暂态电位的下降幅度越来越小，接地效果也愈发不明显。这主要是因为地网边数的增多增加了接地网格密度，而接地导体之间存在一定的屏蔽效应[19]，间距越小，接地体的利用效率越低。

2.4 引外接地

引外接地是高土壤电阻率地区降低接地电阻的常见做法。引外接地采用水平接地棒与地网边缘相连，图6给出了引外接地长度对地网中心暂态电位的影响。

从图6可以看出，引外接地措施可以有效地减小地网暂态电位。引外接地长度为10 m时的暂态电位比未采用引外接地措施时下降了12%。但是随着引外接地长度的进一步增加，电位曲线趋于平缓，电位下降幅度非常小。因为雷电流高频成分较为丰富，引外接地体由于自身的电感、电容效应阻碍了电流的进一步传播。引外接地存在一个有效长度[20]，接地体外延长度超过有效长度后，对降低冲击接地电阻的作用很小。

在进行风机地网设计时，并非地网尺寸、规模越大越好，在设计之初应做好相应的研究计算，选取恰当的地网型式。

图6 引外接地长度对暂态过电压影响Fig.6 Effect of length of external grounding on transient voltages

3 结论

利用EMTP建立风机叶片、塔筒和接地装置模型，考虑雷电流作用下接地导体散流特性和火花效应，计算风机地网暂态电位，得到结论如下：

1）冲击电流导致的火花效应能够降低风机地网暂态电位。地网中心暂态电位随着土壤电阻率的增大而增加。

2）地网尺寸越大、边数越多，雷击暂态电位越小，但是暂态电位下降幅度越来越缓。

3）采用引外接地措施能够有效降低冲击接地电阻，但引外接地长度超过有效长度后，降阻效果愈发不明显。

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