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。
1.1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。
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。
(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
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。
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)