張國光，張國熠，于同澤

(1.湖南省電力公司超高壓管理局，湖南長沙410000;2.浙江國華浙能發(fā)電有限公司，浙江 寧海315612;3.吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林 吉林132012)

0 引言

能源和環(huán)境問題是當(dāng)今世界各國最為關(guān)注的問題。在已知的綠色新能源中，風(fēng)能作為永不枯竭的能源已日益受到世界各國的高度重視［1］。近二十多年，風(fēng)力發(fā)電成本持續(xù)下降，產(chǎn)業(yè)不斷成長壯大。目前，風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量越來越大［2］。為吸收更多能量，隨著輪轂高度和葉輪直徑的增高，相對(duì)也增加了被雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。雷電釋放的巨大能量，會(huì)造成風(fēng)電機(jī)組葉片損壞、發(fā)電機(jī)絕緣擊穿，當(dāng)雷電流流過風(fēng)電機(jī)組塔筒時(shí)會(huì)對(duì)其中的傳輸、通信與控制線路產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，這些暫態(tài)過電壓將對(duì)風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行造成影響［3，4］。對(duì)此，本文運(yùn)用場(chǎng)路結(jié)合［5，6］的思想建立了接地網(wǎng)暫態(tài)電路模型，利用快速傅里葉變換在頻域內(nèi)對(duì)雷電流進(jìn)行了分解，在考慮土壤擊穿的情況下，用頻域時(shí)域相結(jié)合的方法分析了接地網(wǎng)的雷電暫態(tài)特性，并系統(tǒng)分析了地電位升高對(duì)傳輸、通信和控制電纜最外絕緣層的影響。

1 接地網(wǎng)等效電路模型

計(jì)算接地阻抗時(shí)，應(yīng)考慮接地導(dǎo)體的電感和導(dǎo)體間的互感、電容耦合等因素，因此，建立接地網(wǎng)等效電路模型時(shí)應(yīng)做如下假設(shè):

假設(shè)1:接地網(wǎng)由r根導(dǎo)體和n個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，圖1是接地網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)k的等效電路，在每段導(dǎo)體k上有一個(gè)沿導(dǎo)體方向的軸向電流和一個(gè)流散到周圍土壤中的泄漏電流，導(dǎo)體上的泄露電流等分到相鄰兩節(jié)點(diǎn)入地。

假設(shè)2:當(dāng)雷電流ˉFk注入接地網(wǎng)時(shí)，由于導(dǎo)體的電感和導(dǎo)體間的互感、電容耦合等因素的影響，接地網(wǎng)不同節(jié)點(diǎn)的電位差將不為零。取無窮遠(yuǎn)處為參考點(diǎn)，接地網(wǎng)各支路電壓等于其端點(diǎn)電壓的平均值。

圖1 接地網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的等效電路

式(1)中l(wèi)和m是k支路的兩個(gè)端點(diǎn)。對(duì)于所有的支路和節(jié)點(diǎn)就有一個(gè)矩陣關(guān)系:式中:是 r條支路的電壓列向量;是 n 個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的列向量;［K］是r×n階矩陣，當(dāng)支路i與節(jié)點(diǎn)j相連時(shí)，［K］矩陣中的元素Kij=0.5，否則為零。

接地網(wǎng)各支路上的阻抗除了自感、互感和電阻外，還受到周圍土壤介質(zhì)的容性效應(yīng)影響，每條支路k都有一個(gè)泄漏電流流入大地，考慮各支路的電壓和泄漏電流可得到:

其中，如果節(jié)點(diǎn) j與支路 k相連Ck，j=1，否則等于零。則(4)式可以寫成:

其中，［K］t是(2)式中用到的［K］的轉(zhuǎn)置。

通過以上分析，運(yùn)用電路中的節(jié)點(diǎn)電壓法，可以得到如下表達(dá)式:

其中，［Y］是節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，聯(lián)立上述表達(dá)式可得:

2 土壤擊穿時(shí)接地網(wǎng)的暫態(tài)電路模型

沖擊雷電流作用下，接地導(dǎo)體周圍的泄漏電流密度會(huì)很大，當(dāng)泄露電流所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)超過土壤的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，土壤會(huì)有火花放電現(xiàn)象產(chǎn)生。國內(nèi)外學(xué)者通過大量的試驗(yàn)研究，最終建議土壤的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)取 300 kV/m［7］。

建立接地網(wǎng)暫態(tài)電路模型時(shí)需要進(jìn)行如下的推理:

推理1:假設(shè)接地導(dǎo)體的等值半徑與其導(dǎo)體自身長度相比很小，每段導(dǎo)體均化分為多個(gè)小段，其泄漏電流等分到兩端點(diǎn)流出。

推理2:只要電場(chǎng)強(qiáng)度超過土壤的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)Ec，就會(huì)有火花放電現(xiàn)象發(fā)生，即土壤電離。當(dāng)土壤發(fā)生電離時(shí)，由于電離區(qū)域土壤的電阻率極低，可以等效為接地導(dǎo)體半徑的增大。導(dǎo)體等效電離半徑rc處的電場(chǎng)強(qiáng)度等于Ec。

推理3:由于電流只能在導(dǎo)體的內(nèi)部流動(dòng)，因此土壤電離只影響導(dǎo)體對(duì)地的電導(dǎo)和電容，而對(duì)接地導(dǎo)體間的自互感沒有影響。

根據(jù)以上推理，接地網(wǎng)暫態(tài)電路模型的計(jì)算過程包括如下幾個(gè)步驟:

步驟1:將雷電流時(shí)域波形F(t)利用快速傅立葉變換轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)F(ω)。

步驟2:在頻域范圍內(nèi)計(jì)算泄漏電流I(ω)和節(jié)點(diǎn)電壓V(ω)。

步驟3:電流密度J與磁場(chǎng)強(qiáng)度E有密切聯(lián)系，在已知接地導(dǎo)體長度 l、等效半徑r和泄漏電流I時(shí)，電流密度J可用下式表示:

電流密度J與磁場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系式為:J=σE+jωεE，可得:

步驟4:將電場(chǎng)強(qiáng)度利用傅立葉反變換由頻域E(ω)轉(zhuǎn)換為時(shí)域E(t)，如果E(t)超過臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)Ec，則導(dǎo)體半徑需用土壤電離后的等效半徑rc代替，其表達(dá)式為:

步驟5:將導(dǎo)體半徑用等效半徑rc替代后需生成新的［G］陣。泄漏電流I(t)和電場(chǎng)強(qiáng)度E(t)會(huì)隨著［G］陣的改變而改變，直到滿足精度要求:

程序流程圖如圖2所示。

圖2 接地網(wǎng)暫態(tài)程序流程圖

3 風(fēng)電機(jī)組防雷接地與過電壓計(jì)算

風(fēng)電機(jī)組做接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，已經(jīng)充分考慮了接地系統(tǒng)的工頻特性，而其沖擊特性經(jīng)常被忽略。發(fā)生雷擊事故時(shí)，高頻雷電流會(huì)使風(fēng)電場(chǎng)地電位急劇上升，這些暫態(tài)過電壓將對(duì)風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行造成影響。因此，研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)接地系統(tǒng)的沖擊和工頻特性具有非常重要的意義。

3.1 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文的接地網(wǎng)雷電暫態(tài)分析方法的有效性，對(duì)文獻(xiàn)［10］中給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算分析。接地網(wǎng)為60 m×60 m，其地下埋深為h=1 m，橫向和縱向的分段數(shù)都為6且為等間距排列，導(dǎo)體材料為銅材，導(dǎo)體半徑r=0.01 m，土壤為單層結(jié)構(gòu)電阻率為 ρ=100 Ωm。雷電波形為2.6/50 μs，幅值為10 kA，從(0，0，－1)點(diǎn)注入，總計(jì)算時(shí)間為 300 μs。對(duì)接地網(wǎng)上點(diǎn)(0，0，－1)和(10，10，－1)的電位進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。將所得的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［10］中應(yīng)用國際接地計(jì)算軟件CDEGS的計(jì)算結(jié)果如圖4所示，進(jìn)行對(duì)比分析，得出本文計(jì)算方法正確無誤。

3.2 風(fēng)電機(jī)組防雷接地

雷電流都是通過風(fēng)電機(jī)組本身的防雷設(shè)備，最終將雷電流導(dǎo)入接地網(wǎng)，并向大地散流。因此，良好的接地系統(tǒng)是風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行的前提。

圖3 接地網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電位計(jì)算結(jié)果

圖4 CDEGS計(jì)算結(jié)果比較圖

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)所處的位置地形情況，單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的接地系統(tǒng)采用以風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)為中心設(shè)置環(huán)形水平接地帶，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的材料為鋼筋混凝土，主要起固定風(fēng)電機(jī)組塔筒和輔助散流的作用［8］。并且要在風(fēng)電機(jī)組中心向外敷設(shè)3根以上接地扁鋼與環(huán)形水平接地帶相連，圖5為單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組接地網(wǎng)簡圖。在環(huán)形水平接地帶與敷設(shè)水平接地帶相交處設(shè)置垂直接地極。

圖5 風(fēng)電機(jī)組接地網(wǎng)簡圖

距離風(fēng)電機(jī)組15 m處設(shè)有升壓箱變，升壓箱變的低壓側(cè)與風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)的輸入端相連，高壓側(cè)與遠(yuǎn)處變電站相連，一般情況下變壓器的低壓側(cè)都設(shè)計(jì)成中性點(diǎn)接地的星型接法，而高壓側(cè)則是與地電位隔離的三角形接法［9］，圖6是風(fēng)電場(chǎng)的典型電氣設(shè)備布置。

圖6 風(fēng)電場(chǎng)電氣設(shè)備布置

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)有沖擊雷電流入地時(shí)，接地網(wǎng)的地電位急劇上升將引起升壓箱變的輸入端與輸出端存在著巨大電位差。如果升壓箱變低壓側(cè)沒有安裝SPD(雷電浪涌保護(hù)器)或SPD不合格的情況下，升壓箱變極易被雷電損壞。

3.3 土壤電離對(duì)接地網(wǎng)沖擊阻抗的影響

風(fēng)電機(jī)組接地網(wǎng)半徑為10 m，埋深為h=1 m，導(dǎo)體材料為銅材，半徑為r=0.01 m，土壤為單層結(jié)構(gòu)電阻率為 ρ=150 Ωm。雷電波形為2.6/50 μs，幅值為200 kA，總計(jì)算時(shí)間為300 μs，由接地網(wǎng)中心入地。圖7為是否考慮土壤電離時(shí)計(jì)算的沖擊接地阻抗對(duì)比圖。由計(jì)算結(jié)果可知，大雷電流入地引起的最大土壤電離半徑rc可達(dá)到0.35 m，考慮電離前后，接地網(wǎng)沖擊電阻由原來的5.69 Ω變?yōu)?.02 Ω，下降了11.78%。因此，當(dāng)有大雷電流入地的情況下，計(jì)算接地網(wǎng)沖擊接地阻抗，考慮土壤電離是必要的。

圖7 電離前后的沖擊接地阻抗

3.4 過電壓對(duì)電纜最外絕緣層的影響

雷擊產(chǎn)生過電壓時(shí)，接地網(wǎng)周圍地電位將急劇上升。此時(shí)，傳輸、通信和控制電纜最外絕緣層所承受的電壓為電纜屏蔽層與周圍土壤之間的電位差。

如果電纜屏蔽層在遠(yuǎn)處接地，則其接地端的電位將與該地的電位基本相同，在風(fēng)電機(jī)組接地網(wǎng)附近的電纜屏蔽層上產(chǎn)生感應(yīng)電壓值將高于電纜屏蔽層接地端。以本文采用的接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)為例，如果擊中風(fēng)電機(jī)組塔筒的雷電流峰值達(dá)到10 kA，電纜最外絕緣層的電位大約可達(dá)到50 kV。此時(shí)，最外絕緣層上的電位隨電纜與風(fēng)電機(jī)組接地網(wǎng)距離變化的圖像見圖8a。當(dāng)電纜屏蔽層在風(fēng)電機(jī)組接地網(wǎng)附近接地時(shí)，其電位將與風(fēng)電機(jī)組接地網(wǎng)附近的土壤相同，距風(fēng)電機(jī)組接地網(wǎng)較遠(yuǎn)處的電纜最外絕緣層電位高于電纜屏蔽層接地端，如圖8b所示。

風(fēng)電機(jī)組發(fā)生雷擊事故時(shí)，雷電流的波頭越陡峭，產(chǎn)生的過電壓將越大。電纜最外絕緣層上形成的過電壓會(huì)對(duì)其絕緣造成破壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電纜屏蔽層與其周圍土壤發(fā)生放電。

圖8 最外絕緣層上的過電壓

4 結(jié)論

在考慮土壤電離特性的基礎(chǔ)上，通過建立接地網(wǎng)暫態(tài)電路模型對(duì)雷擊作用下接地網(wǎng)的暫態(tài)特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明:a.雷電沖擊引起的土壤電離，可以增強(qiáng)接地網(wǎng)的散流能力，降低接地網(wǎng)的峰值電壓。b.升壓箱變的輸入端與輸出端存在著巨大電位差，為確保升壓箱變的安全運(yùn)行應(yīng)在其低壓側(cè)安裝雷電浪涌保護(hù)器。c.埋設(shè)在地下的傳輸、通信和控制電纜的屏蔽層在風(fēng)電機(jī)組接地網(wǎng)的附近或較遠(yuǎn)處接地時(shí)，電纜的屏蔽層與其周圍土壤會(huì)有很高的電位差，這將對(duì)電纜最外絕緣層構(gòu)成威脅，所以，應(yīng)引起相關(guān)人員高度注意。

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