曾 勇 張淑霞 劉 波 吳安坤 黃 鈺

貴州省防雷減災(zāi)中心

高土壤電阻率地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機雷擊電磁場分析*

曾 勇 張淑霞 劉 波 吳安坤 黃 鈺

貴州省防雷減災(zāi)中心

貴州省風(fēng)力發(fā)電項目建設(shè)正處于不斷增長階段，受到山地氣候特征的影響，貴州省雷電活動頻繁，具有復(fù)雜性和易損性。由于風(fēng)力發(fā)電機通常建設(shè)在海拔較高處，風(fēng)力發(fā)電機遭受雷擊的事故不斷發(fā)生。通過對目前貴州省風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電機防雷接地技術(shù)方法進行分析，指出了高土壤電阻率地區(qū)防雷接地存在的問題。同時，利用CDEGS軟件建立高土壤電阻率地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機的三維數(shù)值模型，分析其遭受雷擊時風(fēng)機周邊電磁環(huán)境，對設(shè)備和人身安全做了評估。提出了降低貴州高土壤電阻率地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機接地電阻的有效措施，為高土壤電阻率地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機防雷接地設(shè)計提供參考。

風(fēng)電場；接地電阻；高土壤電阻率；電磁場；CDEGS軟件

貴州省地處我國西南部，全省國土面積176167km2，占全國總面積的1.83%。在貴州省海拔較高的地區(qū)，風(fēng)能資源較豐富，具有一定的開發(fā)價值。貴州省“十二五”規(guī)劃的風(fēng)電裝機規(guī)模達450萬kW，截止2014年，已完成風(fēng)電裝機134.81萬千瓦，年發(fā)電量12.08億千萬時，風(fēng)力發(fā)電已占新能源發(fā)電總量的90%。2015年貴州省風(fēng)電場建設(shè)規(guī)模同2014年相比持續(xù)增加，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)在貴州全面開啟。根據(jù)中電聯(lián)、電業(yè)企業(yè)對2015年風(fēng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2015年貴州省累計核準容量為653萬千瓦，累計在建容量為331萬千瓦，新建并網(wǎng)容量為90萬千瓦，累計并網(wǎng)容量為323萬千瓦，發(fā)電量為33億千瓦時。

貴州省特殊的地形地貌和山地氣候特征，造成全省境內(nèi)冷暖空氣交匯活動頻繁，天氣氣候復(fù)雜多變，導(dǎo)致了雷電活動的復(fù)雜性和雷電災(zāi)害的易發(fā)性。貴州省年平均地閃密度高達10.2次/km2，在國內(nèi)排列第四位，列廣東、廣西、海南之后。年平均雷暴日為51.6天，屬高雷暴區(qū)［1］。據(jù)不完全統(tǒng)計，自2000年至今，雷擊傷亡人數(shù)達800多人。雷電災(zāi)害在貴州省各行業(yè)分布比例見表1，其中雷電在在電力行業(yè)中供電設(shè)備損壞占16%。目前，雷電是對貴州風(fēng)力發(fā)電機構(gòu)成威脅最大的自然災(zāi)害。

1　貴州地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機雷擊防護現(xiàn)狀

1.1風(fēng)電場基本構(gòu)成及遭受雷擊原因

風(fēng)電場主要由多個風(fēng)電機組、箱式變電站和升壓站構(gòu)成。目前，在貴州省境內(nèi)的風(fēng)電場基本上采用“一機一箱”式，即一臺風(fēng)力發(fā)電機配一臺箱式變電站，以下對風(fēng)力發(fā)電機簡稱為風(fēng)機。每個風(fēng)力發(fā)電機組通過將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，輸出電壓等級為690V，此電壓通過電纜傳輸?shù)骄嚯x風(fēng)風(fēng)機15m左右的10/35kV箱式變電站，經(jīng)過箱式變電站將690V電壓升至10/35KV，再由埋地鎧裝電纜傳輸至110KV/220kV升壓站，經(jīng)升壓站升壓后并入電網(wǎng)。風(fēng)機主要由塔筒、葉片、葉柄、輪轂等組成，其中發(fā)電機和通信設(shè)備、控制設(shè)備是風(fēng)力發(fā)電機塔筒內(nèi)部最為核心的器件，也是對過電壓最為敏感的器件。

雷擊對風(fēng)力發(fā)電機組危害形式主要是直接雷擊、雷電感應(yīng)和雷電波入侵。直接雷擊主要對風(fēng)機的葉片造成危害，強大的雷電流釋放的巨大能量使得風(fēng)機葉片溫度升高，劇烈膨脹，造成葉片破裂。雷電感應(yīng)和雷電波入侵主要對風(fēng)機控制系統(tǒng)和電子器件產(chǎn)生過電壓危害，主要對風(fēng)機塔筒內(nèi)通信、控制設(shè)備等線路產(chǎn)生感應(yīng)過電壓［2-3］。風(fēng)電機組的防雷問題歸根結(jié)底是接地問題，接地沒有達到要求是造成雷擊事故的根本原因。

1.2風(fēng)機遭受雷擊原因

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前在全省范圍內(nèi)已經(jīng)發(fā)生不同層次的雷擊風(fēng)力發(fā)電機事故，這給風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)建設(shè)以及正常運行帶來了困擾。貴州省內(nèi)盤縣四格風(fēng)電場近年連續(xù)遭受雷擊，造成風(fēng)電場運行中斷，控制設(shè)備和通信設(shè)備均有不同程度損壞，帶來無法估計的經(jīng)濟損失。2015年2月1日22時55分，省內(nèi)某風(fēng)電場所有風(fēng)機通訊全無，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)3#、18#風(fēng)機光纖接線盒、塔基柜溫控器及塔基指示燈電源線燒毀，其他風(fēng)機正常運行。事故發(fā)生后通過組織雷電災(zāi)害專家組調(diào)查，此次事故是由當晚發(fā)生的雷電過程所致。

通過貴州省防雷減災(zāi)中心對貴州省已發(fā)生雷擊風(fēng)機事故的雷災(zāi)調(diào)查分析，造成貴州省內(nèi)風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)備損壞的原因主要是風(fēng)力發(fā)電機地網(wǎng)接地電阻未達到設(shè)計值要求。對遭受雷擊風(fēng)機區(qū)域土壤電阻率進行勘測，土壤電阻率值在3000Ω·m以上，屬于高土壤電阻率地區(qū)。所以，接地達不到標準和設(shè)計值要求是貴州山地風(fēng)力發(fā)電機遭受雷擊的根本原因。

2　仿真實驗參數(shù)

仿真實驗對象選取貴州省內(nèi)某風(fēng)力發(fā)電場C13#風(fēng)力發(fā)電機組，利用CDEGS軟件建立風(fēng)力發(fā)電機三維數(shù)值模型，建模參數(shù)如下：

（1）雷電流相關(guān)參數(shù)。風(fēng)機所處區(qū)域最大雷電流強度249.23kA，平均閃電強度53.19kA，0～20kA雷電流占28.60%，20～50kA雷電流占55.61%，50～100kA雷電流占13.45%，100kA以上雷電流占2.34%。本次實驗雷電流強度選取46.09kA，雷電流上升時間為5微秒，在150微秒內(nèi)衰減為零，極性為負地閃，是地閃強度發(fā)生概率最為集中區(qū)段，雷電流強度主要用作計算分析時的激勵源，波形主要用作頻域分析時傅里葉變換。

（2）風(fēng)機地網(wǎng)參數(shù)。目前在貴州省內(nèi)風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)機基礎(chǔ)均為圓環(huán)形。風(fēng)機的接地除了利用自身鋼筋基礎(chǔ)接地網(wǎng)外，主要利用水平環(huán)形接地體與垂直接地體相結(jié)合的接地方方式作為附加接地［4］。地網(wǎng)參數(shù)主要用于模型建立時對地下電網(wǎng)模型的描述，建立符合實際的地網(wǎng)模型，對雷電流入地泄流時計算分析更加精確，見表1。

表1　風(fēng)力發(fā)電機接地網(wǎng)參數(shù)

（3）土壤模型參數(shù)。土壤電阻率是影響風(fēng)力發(fā)電機接地電阻大小最為關(guān)鍵的因素，直接關(guān)系到雷擊時雷電流泄流情況。本研究利用SYSCAL Junior土壤電阻率測試儀對C13#風(fēng)機所處區(qū)域的土壤電阻率進行了測量，測量方法為溫納四極法［5］。測量電極的間距最大為29m，測量得到數(shù)據(jù)見表2，利用CDEGS軟件REASP模塊，對數(shù)據(jù)進行了反演解釋，得出風(fēng)力發(fā)電機場址區(qū)域?qū)嶋H土壤結(jié)構(gòu)［6］。

表2　溫納四極法測得C13#分機區(qū)域土壤電阻率值

利用CDEGS軟件解釋出：風(fēng)機所處區(qū)域土壤擬合模型為水平兩層結(jié)構(gòu)，從上到下為：第一層（0.00m～18.9m），平均土壤電阻率值948.45Ω·m；第二層（18.09m以下），平均土壤電阻率值149.935Ω·m。分層擬合結(jié)果的均方根誤差為5.23%。土壤模型參數(shù)主要是計算接觸電壓和跨步電壓時需要用到實際的土壤電阻率參數(shù)，便于計算出確切的接觸電壓值和跨步電壓值。

3　風(fēng)力發(fā)電機雷擊電磁場仿真分析

（1）人身安全分析。雷擊時風(fēng)機周邊人員安全采用IEC/TR 60479-4-2011（電流對人和家畜的影響——第4部分：雷擊影響）判別人員是否安全［7］。利用該標準中的具體顫動激勵或能量法（Specific Fibrillation Charge or Energy method）進行計算分析，表3為雷擊狀態(tài)下人員的安全標準值。

表3　雷擊狀態(tài)下的人員安全標準值

基于第二節(jié)相關(guān)實驗參數(shù)，利用CDEGS軟件的HIFREQ和FFTSES模塊以及SESCAD建模工具，建立了C13#風(fēng)機的三維數(shù)值模型，計算分析風(fēng)機最高點處遭受雷擊時距離風(fēng)機接地網(wǎng)外沿3m（觀測面）范圍內(nèi)的跨步電壓值以及風(fēng)機底座塔筒的接觸電壓。計算結(jié)果，如圖1、2。

圖1　雷擊風(fēng)機時觀測面內(nèi)跨步電壓分布

通過圖1和圖2可以得出雷擊風(fēng)機最高點時風(fēng)機時人觸及風(fēng)機塔筒的接觸電壓分布和風(fēng)機接地網(wǎng)3m外的跨步電壓分布，均隨時間呈震蕩性衰減，最大接觸電壓為1800V，最大跨步電壓為80V，最大接觸電壓和跨步電壓產(chǎn)生的通過人體的能量分別為30.5J和28.2J，遠大于雷擊狀態(tài)下人體能量的標準值13.5J，所以此時在風(fēng)機下面接地網(wǎng)3m范圍外的人員是不安全的，存在人身傷亡風(fēng)險。

（2）設(shè)備安全分析。設(shè)備安全性主要考慮風(fēng)機接地網(wǎng)中心外延至15m范圍內(nèi)觀測面內(nèi)的合成電場、合成磁場進行分析計算，本研究中對雷擊狀態(tài)下風(fēng)機電子設(shè)備安全評估主要采用計算機場地通用技術(shù)規(guī)范（GB/T 2887-2011），即機房內(nèi)磁場干擾場強不大于800A/m［8］。利用CDEGS軟件計算結(jié)果，如圖3、4。

圖2　雷擊風(fēng)機時觀測面內(nèi)接觸電壓分布

圖3　觀測面內(nèi)合成電場最大值分布

計算結(jié)果表明，風(fēng)機遭受雷擊時，在不采取屏蔽措施及防雷接地不符合設(shè)計值要求的情況下，風(fēng)機附近最大磁場遠大于800A/m，可造成箱式變壓器設(shè)備和塔筒控制系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生過電壓危害。同時合成電場也可能導(dǎo)致空氣擊穿，導(dǎo)致兩個接近導(dǎo)體間發(fā)生電弧或火花。35kV箱式變電站通常設(shè)置在距離風(fēng)機中心點外15m處，雷擊感應(yīng)電磁場極有可能對設(shè)備造成感應(yīng)過電壓危害。

通過現(xiàn)場對C13#風(fēng)力發(fā)電機進行接地網(wǎng)接地電阻檢測，檢測結(jié)果表明，風(fēng)力發(fā)電機地網(wǎng)工頻接地電阻為9.25Ω遠大于接地網(wǎng)工頻接地電阻值要求4Ω以下。雷電流在通過風(fēng)力發(fā)電機地網(wǎng)向大地泄流時，雷電流不能在短時間內(nèi)泄流入地。通過仿真計算此時人員和設(shè)備處于不安全狀態(tài)是合理的。同時，風(fēng)力發(fā)電機場址區(qū)域表層平均土壤電阻率值948.45Ω·m，屬于高土壤電阻率區(qū)域。接地工程在設(shè)計和施工過程中部分因素均可導(dǎo)致地網(wǎng)工頻接地電阻值大于4Ω，地網(wǎng)接地電阻達不到要求是風(fēng)力發(fā)電機遭受雷擊時人員和設(shè)備存在不安全性的主要原因。

圖4　觀測面內(nèi)合成磁場最大值分布

4　防雷建議

針對上述計算結(jié)果，并結(jié)合貴州特殊的地形地貌特征，主要提出以下幾點風(fēng)機防雷建議，在風(fēng)力發(fā)電機防雷工程設(shè)計時可供參考。

（1）在貴州山地高土壤電阻率地區(qū)風(fēng)機防雷接地設(shè)計時，要綜合考慮土壤墑情、土壤結(jié)構(gòu)、閃電數(shù)據(jù)資料等因素。不要一味按照傳統(tǒng)方法機型接地設(shè)計，要遵循“因地制宜”原則［9］。

（2）貴州特殊的喀斯特地貌和山地氣候環(huán)境，土壤對降阻劑和降阻模塊的腐蝕嚴重。降阻劑的使用一定要可靠、有效。在使用降阻劑之前應(yīng)該實地勘查分析，結(jié)合當?shù)赝寥捞匦院蜌夂驐l件，不要盲目使用，要達到事半功倍的效果。

（3）施工工藝與接地效果直接相關(guān)，在整個接地工程施工過程中要把握好各個環(huán)節(jié)，不要忽略細小環(huán)節(jié)，否則施工完成后接地電阻達不到要求，工程整改將會帶來巨大經(jīng)濟損失。

（4）接地是防雷工程中一個重要的環(huán)節(jié)。在對風(fēng)機進行過電壓和防雷設(shè)計時，應(yīng)該詳細了解所處區(qū)域的氣象、水文和土壤等情況，更要充分對當?shù)氐臍v史雷電災(zāi)害情況。在做好風(fēng)機防雷接地工程的同時，也要做好其他的防雷措施。

5　結(jié)束語

本文利用CDEGS軟件，建立了貴州山地風(fēng)力發(fā)電機三維數(shù)值模型，分析了雷擊暫態(tài)時風(fēng)力發(fā)電機周邊電磁場分布。針對分析結(jié)果，提出了針對貴州山地風(fēng)力廢電機相關(guān)防雷建議。防雷接地是風(fēng)力發(fā)電機防雷工程中的一個系統(tǒng)工程，直接關(guān)系著風(fēng)力發(fā)電機安全運行。在貴州山地風(fēng)力機建設(shè)過程中，要對地質(zhì)資料作詳細分析，結(jié)合氣象等相關(guān)資料，提出一個合理的防雷接地方案。

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項目：貴州省氣象局開放基金項目（QNKF［2015］14）