萬(wàn)興玉，張忠會(huì)

（南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌330031）

0 引言

推動(dòng)風(fēng)能等可再生能源的發(fā)展已經(jīng)成為全球能源革命的趨勢(shì)，風(fēng)電在我國(guó)已經(jīng)成為僅次于火電和水電的第三大電源[1]，發(fā)展前景廣闊。風(fēng)電行業(yè)的迅速發(fā)展也遭受日益嚴(yán)重的雷電災(zāi)害威脅。在風(fēng)電機(jī)組的雷電防護(hù)當(dāng)中，風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)至關(guān)重要[2]。以往運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也表明，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組直擊雷的防護(hù)，降低接地系統(tǒng)電阻最為行之有效[3-4]。但是對(duì)于風(fēng)電機(jī)組雷擊暫態(tài)效應(yīng)的研究多采用工頻接地電阻[5-6]，而沖擊電流作用下接地體系統(tǒng)的泄流與工頻狀態(tài)存在很大差異[7]，即使考慮了雷電流在接地體中的有損傳輸過(guò)程[8]也很難考慮火花放電引起的土壤電離，因此研究得到的雷擊暫態(tài)效應(yīng)數(shù)據(jù)不能有效指導(dǎo)風(fēng)電機(jī)組的雷電防護(hù)。

筆者通過(guò)EMTP軟件[9]建立典型風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)模型，考慮雷電流流經(jīng)接地裝置時(shí)火花效應(yīng)引起的土壤電離作用對(duì)暫態(tài)電位的影響。分析土壤電阻率、接地裝置尺寸、接地裝置形狀對(duì)風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)雷擊暫態(tài)電位的影響，討論外引接地對(duì)于降低暫態(tài)電位的防護(hù)效果，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雷電防護(hù)提供理論參考。

1 仿真模型

1.1 雷電流模型

雷電流波形采用Heidler函數(shù)[10]表示，表達(dá)式為

式中：Im，I0為峰值電流，kA；τ1和τ2為波頭時(shí)間常數(shù)和波尾時(shí)間常數(shù)，μs；n為電流陡度因子，取n=2或10?；?fù)敉ǖ赖戎挡ㄗ杩购屠纂娏鞣迪嚓P(guān)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[11]選取。

1.2 葉片和塔筒模型

為了考慮雷電流在葉片和塔體上傳播的波過(guò)程，將二者用波阻抗模型表示[12]。

葉片波阻抗計(jì)算如下[13]：

式中：lb為葉片長(zhǎng)度；rb為葉片等效半徑。

塔筒波阻抗計(jì)算如下：

式中，ht為塔筒高度；rt為葉片等效半徑。

1.3 接地裝置模型

接地體在雷電流作用下會(huì)呈現(xiàn)復(fù)雜的電磁暫態(tài)特性，這與工頻狀態(tài)有很大不同。雷電流幅值較大時(shí)，接地體會(huì)發(fā)生火花放電效應(yīng)[14]，從而擊穿周?chē)寥喇a(chǎn)生電離現(xiàn)象?；鸹ㄐ?yīng)的存在相當(dāng)于增加了接地體的直徑，降低了沖擊接地電阻。同時(shí)接地體自身電感的存在阻礙了高頻雷電流成分向遠(yuǎn)端傳播，增大了沖擊接地電阻，稱(chēng)為電感效應(yīng)。

為了全面考慮火花效應(yīng)和電感效應(yīng)對(duì)接地體泄流過(guò)程的影響，將接地體等效成有損長(zhǎng)線，由電感、電容、電導(dǎo)和電阻組成，電路模型如圖1所示[15]。

圖1 接地體的等效電路模型Fig.1 Equivalent circuit model of the grounding electrode

圖1中R0、L0分別為單位長(zhǎng)度電阻及電感；G0、C0分別為單位長(zhǎng)度對(duì)地電導(dǎo)及電容，具體計(jì)算由下列公式確定：

式中，ρc為接地體電阻率；l0為接地體長(zhǎng)度；a為接地體半徑。

式中，ρs為土壤電阻率，h為接地體埋深。

式中，εs為土壤介電常數(shù)；εa為空氣介電常數(shù)。

火花效應(yīng)導(dǎo)致的土壤電離對(duì)接地體電感和電阻基本沒(méi)有影響，對(duì)地電容影響也較小，主要影響對(duì)地電導(dǎo)[16]。由于EMTP中沒(méi)有時(shí)變電導(dǎo)元件，因此用時(shí)變電阻來(lái)替代。

當(dāng)接地體承受雷電流沖擊時(shí)，周?chē)寥离妶?chǎng)強(qiáng)度如果超過(guò)其臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，土壤發(fā)生電離，將其等效為接地體等效半徑的增大，接地體各段的等效半徑可通過(guò)下式求取[17]：

式中，Δik為流經(jīng)第k段接地體的電流；Jk為第k段導(dǎo)體的電流密度；Ec為土壤臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

土壤臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)受土壤電阻率影響，具體計(jì)算如下：

通過(guò)式（8）-（10）可確定臨界擊穿電流：

得到可變電阻與電流的關(guān)系[17]：

構(gòu)建的地網(wǎng)模型[18]如圖2所示，正六邊形水平地網(wǎng)邊長(zhǎng)20 m，埋深為0.6 m，導(dǎo)體交叉處增設(shè)垂直接地棒，長(zhǎng)度2 m，接地體直徑10 mm，接地體電阻率2.5×10-7Ω·m，土壤電阻率為500 Ω·m，土壤相對(duì)介電常數(shù)取10。雷電流幅值10 kA，波形為2.6/50 μs。

圖2 接地網(wǎng)模型Fig.2 Model of the grounding system

2 仿真結(jié)果

2.1 暫態(tài)電位波形

圖3給出了考慮火花效應(yīng)前后的風(fēng)機(jī)地網(wǎng)中心暫態(tài)電位。

圖3 暫態(tài)過(guò)電壓波形Fig.3 Waveform oftransient voltage on the grounding system

通過(guò)圖3比較可以看出，考慮雷電流沖擊產(chǎn)生的火花效應(yīng)后，地網(wǎng)暫態(tài)電位明顯下降，由118 kV降至86 kV，因?yàn)榛鸹ㄐ?yīng)降低了地網(wǎng)的沖擊接地電阻。

表1給出了不同土壤電阻率下地網(wǎng)中心暫態(tài)電位。

表1 土壤電阻率對(duì)地網(wǎng)暫態(tài)電位影響Table1 Effect of soil resistivity on transient voltages

由表1可以看出，隨著土壤電阻率的升高，地網(wǎng)中心暫態(tài)電位也不斷增加。土壤電阻率越大，暫態(tài)電位增加幅度越明顯，這是因?yàn)檩^高的土壤電阻率增加了雷電流的泄放難度和土壤擊穿難度。

2.2 地網(wǎng)尺寸影響

圖4給出了不同尺寸的接地裝置下的地網(wǎng)中心暫態(tài)電位。

圖4 接地網(wǎng)邊長(zhǎng)對(duì)暫態(tài)過(guò)電壓影響Fig.4 Effect of size of grounding system on transient voltages

從圖4中可以看出，地網(wǎng)邊長(zhǎng)從10m擴(kuò)大到20m，地網(wǎng)暫態(tài)電位迅速減小，下降了42%。但是隨著地網(wǎng)尺寸的進(jìn)一步增大，電位下降幅度趨緩，邊長(zhǎng)從40 m擴(kuò)大到50 m，電位僅下降了2.3%。與工頻狀態(tài)下全部地網(wǎng)導(dǎo)體起散流作用不同，雷電流沖擊作用下，由于電感效應(yīng)，只有電流注入點(diǎn)附近一部分導(dǎo)體起散流作用，整個(gè)地網(wǎng)并未得到充分利用。

2.3 地網(wǎng)形狀影響

圖5給出了地網(wǎng)形狀對(duì)地網(wǎng)中心電位的影響。

圖5 接地網(wǎng)形狀對(duì)暫態(tài)過(guò)電壓影響Fig.5 Effect of shape of grounding system on transient voltages

從圖5可以看出，地網(wǎng)邊數(shù)越多，越趨向圓形，中心暫態(tài)電位越低。但是隨著地網(wǎng)邊數(shù)的增多，中心暫態(tài)電位的下降幅度越來(lái)越小，接地效果也愈發(fā)不明顯。這主要是因?yàn)榈鼐W(wǎng)邊數(shù)的增多增加了接地網(wǎng)格密度，而接地導(dǎo)體之間存在一定的屏蔽效應(yīng)[19]，間距越小，接地體的利用效率越低。

2.4 引外接地

引外接地是高土壤電阻率地區(qū)降低接地電阻的常見(jiàn)做法。引外接地采用水平接地棒與地網(wǎng)邊緣相連，圖6給出了引外接地長(zhǎng)度對(duì)地網(wǎng)中心暫態(tài)電位的影響。

從圖6可以看出，引外接地措施可以有效地減小地網(wǎng)暫態(tài)電位。引外接地長(zhǎng)度為10 m時(shí)的暫態(tài)電位比未采用引外接地措施時(shí)下降了12%。但是隨著引外接地長(zhǎng)度的進(jìn)一步增加，電位曲線趨于平緩，電位下降幅度非常小。因?yàn)槔纂娏鞲哳l成分較為豐富，引外接地體由于自身的電感、電容效應(yīng)阻礙了電流的進(jìn)一步傳播。引外接地存在一個(gè)有效長(zhǎng)度[20]，接地體外延長(zhǎng)度超過(guò)有效長(zhǎng)度后，對(duì)降低沖擊接地電阻的作用很小。

在進(jìn)行風(fēng)機(jī)地網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，并非地網(wǎng)尺寸、規(guī)模越大越好，在設(shè)計(jì)之初應(yīng)做好相應(yīng)的研究計(jì)算，選取恰當(dāng)?shù)牡鼐W(wǎng)型式。

圖6 引外接地長(zhǎng)度對(duì)暫態(tài)過(guò)電壓影響Fig.6 Effect of length of external grounding on transient voltages

3 結(jié)論

利用EMTP建立風(fēng)機(jī)葉片、塔筒和接地裝置模型，考慮雷電流作用下接地導(dǎo)體散流特性和火花效應(yīng)，計(jì)算風(fēng)機(jī)地網(wǎng)暫態(tài)電位，得到結(jié)論如下：

1）沖擊電流導(dǎo)致的火花效應(yīng)能夠降低風(fēng)機(jī)地網(wǎng)暫態(tài)電位。地網(wǎng)中心暫態(tài)電位隨著土壤電阻率的增大而增加。

2）地網(wǎng)尺寸越大、邊數(shù)越多，雷擊暫態(tài)電位越小，但是暫態(tài)電位下降幅度越來(lái)越緩。

3）采用引外接地措施能夠有效降低沖擊接地電阻，但引外接地長(zhǎng)度超過(guò)有效長(zhǎng)度后，降阻效果愈發(fā)不明顯。

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