武振宇，張克勇，李曉航

（國網(wǎng)河南省電力公司平頂山供電公司，河南平頂山467000）

0 引言

全球范圍內(nèi)，許多國家都在推動能源結(jié)構(gòu)從化石能源為主向風(fēng)能等可再生能源為主的轉(zhuǎn)變。風(fēng)力發(fā)電量在我國全社會用電量比例已超過3%[1]，但其比例仍遠(yuǎn)低于歐洲發(fā)達(dá)國家，風(fēng)電發(fā)展前景依然廣闊。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展也經(jīng)受著日益嚴(yán)重的雷災(zāi)威脅[2]。風(fēng)機(jī)的雷電防護(hù)是一項系統(tǒng)工程，其中良好的接地系統(tǒng)十分重要[3]。風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)對于雷擊暫態(tài)效應(yīng)、風(fēng)場回流浪涌[4]、風(fēng)機(jī)槳葉引雷能力[5]都有較大影響。

降低風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)電阻是對風(fēng)機(jī)雷擊暫態(tài)過電壓行之有效的防護(hù)措施[6]。對于土壤狀況良好的地區(qū)，利用風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)作為自然接地裝置能夠獲得較低的接地電阻。在高土壤電阻率地區(qū)，為了有效地解決接地電阻過高問題，往往采用外引接地方式來降阻[7]。外引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，存在一個有效長度[3]。目前對于風(fēng)機(jī)外引接地有效長度研究不夠全面，不能考慮沖擊電流作用下外引水平接地體的泄流與工頻狀態(tài)下的差異[8]，且沖擊電流作用下會同時產(chǎn)生火花放電效應(yīng)和電感效應(yīng)[9]。因此需要詳細(xì)研究風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)外引接地有效長度及相關(guān)影響因素。

利用PSCAD軟件[10]建立簡化風(fēng)機(jī)葉片、塔筒模型，同時敷設(shè)外引水平接地體，考慮雷電流引起的火花效應(yīng)和電感效應(yīng)對暫態(tài)電位的影響。分析雷電流波頭時間和土壤電阻率對外引接地有效長度的影響，擬合有效長度計算公式，為風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)的降阻提供參考。

1 仿真模型

1.1 雷電流模型

雷電流波形采用雙指數(shù)函數(shù)[11]表示，表達(dá)式為

式中：Im為電流幅值，kA；α和β分別為波頭時間常數(shù)和波尾時間常數(shù)。雷電流波形取2.6/50 μs[12]，幅值取30 kA，對應(yīng)雷電通道等值波阻抗[12]取800 Ω。

1.2 葉片和塔筒模型

葉片波阻抗采用下式計算[14]：

式中：lb為葉片長度；rb為葉片等效半徑。

塔筒波阻抗采用下式計算[13]：

式中：ht為塔筒高度；rt為葉片等效半徑。

1.3 接地裝置模型

考慮風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)作自然接地體時由于其良好的泄流作用只考慮其工頻阻值，但外引水平接地體在雷電流作用下會呈現(xiàn)波過程—電感電到泄流過程—電阻過程[15]，這與工頻狀態(tài)有很大不同。當(dāng)雷電流幅值較大時，接地體周圍會產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象[16]，擊穿土壤產(chǎn)生電離。火花效應(yīng)的存在降低了沖擊接地電阻，因為其間接增加了接地體的直徑。同時接地體自身電感效應(yīng)的存在又阻礙了雷電流高頻成分向遠(yuǎn)端傳播，反而增大了沖擊接地電阻。

將水平接地體等效成有損長線，由電感、電容、電導(dǎo)和電阻組成，以考慮火花效應(yīng)和電感效應(yīng)對接地體泄流過程的影響，等效電路模型見圖1[17]。

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

圖1 中單位長度電阻R0、單位長度電感L0、單位長度對地電導(dǎo)G0和單位長度電容C0分別由下列公式確定[18]：

式中：ρc為水平接地體電阻率；a為接地體半徑；l0為分段接地體長度；h為接地體埋深；ρs為土壤電阻率；εs為土壤介電常數(shù)。

火花效應(yīng)主要影響接地體的對地電導(dǎo)，對電感和電阻基本沒有影響，對電容影響也較小，因此在PSCAD中采用可變電導(dǎo)來模擬火花效應(yīng)。土壤擊穿場強(qiáng)受土壤電阻率影響，具體計算如下：

整個求解過程：先對所有邊界節(jié)點(diǎn)壓力賦予邊界條件，任取全部內(nèi)節(jié)點(diǎn)的壓力值作為第一次近似值然后逐行沿著油膜起始邊到終止邊計算內(nèi)節(jié)點(diǎn)，凹槽內(nèi)節(jié)點(diǎn)油壓以供油壓力Ps作為近似值。所有內(nèi)節(jié)點(diǎn)計算完后可得到比上一次精確些的油壓分布這樣經(jīng)過ξ次迭代后可得到精度較高的油壓分布從而終止迭代過程。

式中：Ec為土壤臨界擊穿場強(qiáng)。

當(dāng)周圍土壤因雷電流沖擊產(chǎn)生電離后，接地體的等效半徑通過下式求取[18]：

式中，Δii為流經(jīng)第i段水平接地體的電流；Ji為第i段導(dǎo)體的電流密度。

臨界擊穿電流可以通過式（8）—（10）求取：

得到可變電導(dǎo)與電流的關(guān)系[18]：

仿真中參數(shù)選取如下：lb=31.8 m，rb=1.1 m，ht=62.8 m，rt=1.5 m。采用3根外引水平接地體，接地體直徑10 mm，埋深0.6 m，電阻率2.5×10-7Ω·m，土壤相對介電常數(shù)取10。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 波前時間影響

圖2給出了不同外引接地長度下風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)暫態(tài)電位，雷電流波頭時間分別取1 μs和2.6 μs，土壤電阻率取100 Ω·m。

圖2 不同波頭時間下暫態(tài)過電壓波形Fig.2 Waveform of transient overvoltage on the external grounding under different wave front time

通過比較圖2可看出，外引接地長度越大，接地系統(tǒng)暫態(tài)電位越低，但波頭時間較短情況下，降低效果不明顯。

圖3給出了不同波頭時間下沖擊接地阻抗隨接地體長度變化。

從圖3可看出，外引接地體明顯存在一個有效長度，超過這個長度后沖擊接地阻抗幾乎沒有下降。與工頻狀態(tài)下導(dǎo)體全部起散流作用不同，雷電流沖擊作用下，由于電感效應(yīng)，整個水平接地體并未得到充分利用。此外可以看出，波頭時間越短，阻抗隨接地體長度變化曲線收斂速度越快。

圖3 不同波頭時間下沖擊接地電阻隨接地體長度變化Fig.3 Impulse grounding resistance vs the length of external grounding electrode under different wave front time

2.2 土壤電阻率影響

圖4 給出了不同外引接地長度下風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)暫態(tài)電位，土壤電阻率分別取50 Ω·m和500 Ω·m，雷電流波頭時間取2.6 μs。

圖4 不同土壤電阻率下暫態(tài)過電壓波形Fig.4 Waveform of transient overvoltage on the external grounding under different soil resistivity

通過比較圖4可看出，土壤電阻率對接地系統(tǒng)暫態(tài)電位的影響較大，土壤電阻率越高，暫態(tài)電位降低越明顯。

圖5給出了不同土壤電阻率下沖擊接地阻抗隨接地體長度變化。

從圖5可看出，隨著外引接地長度的進(jìn)一步增大，沖擊接地電阻下降幅度趨緩，且土壤電阻率越高，阻抗隨接地體長度變化曲線收斂速度越慢。

圖5 不同土壤電阻率下沖擊接地電阻隨接地體長度變化Fig.5 Impulse impedance vs the length of external grounding electrode under different soil resistivity

2.3 有效接地長度

圖6 給出了外引接地體有效長度隨波頭時間和土壤電阻率變化的擬合曲線。外引接地體的有效長度定義為在一定的土壤電阻率下，接地體的沖擊阻抗值變成其收斂值的105%時所對應(yīng)的長度。

圖6 有效長度隨波頭時間和土壤電阻率變化曲線Fig.6 Effective length of external grounding vs wave front time and soil resistivity

從圖6可看出，外引接地體有效長度隨著波頭時間和土壤電阻率的增大而增加。這主要是因為波頭時間越短，雷電流高頻成分越豐富，電感效應(yīng)影響越大；土壤電阻率越低，接地體對地電導(dǎo)也越大，阻礙了雷電流向遠(yuǎn)處的繼續(xù)傳播[19]。

根據(jù)不同雷電流波頭時間τ和不同土壤電阻率ρs下外引接地體有效長度的變化曲線，擬合得到有效長度le與τ和ρs的函數(shù)關(guān)系[20]：

風(fēng)機(jī)接地采用外引接地措施時，在設(shè)計之初應(yīng)做好相應(yīng)的計算，選取恰當(dāng)?shù)慕拥伢w長度，而非尺寸越長越好。

3 結(jié)論

利用PSCAD建立風(fēng)機(jī)葉片、塔筒和外引接地體模型，考慮雷電流作用下接地導(dǎo)體散流特性和火花效應(yīng)，計算外引接地體有效長度。分析結(jié)果表明外引接地體存在一個明顯的有效長度，超過有效長度后對降低沖擊接地阻抗幾乎沒有效果。外引接地體的有效長度隨著波頭時間和土壤電阻率的增大而增加。