雷電沖擊下風電機組接地系統暫態特性分析

史 柳,李立明,宣 明,李建陽

(國網吉林省電力有限公司超高壓公司,長春 130000)

0 引 言

隨著全球能源互聯網戰略的高效實施,風電、光伏等可再生能源的發電規模不斷擴大,風輪直徑及塔架高度不斷増加,風機遭受雷擊概率越來越大[1]。由雷擊造成的葉片、機組電控設備損傷對風電機組有極大危害[2],當雷擊事故發生時,幅值極高的雷電流沿槳葉及塔筒注入風機接地裝置,若沖擊接地電阻過大,接地體暫態電位異常升高,可能使被保護設備遭到反擊破壞[3]。風機內部電氣設備及控制系統的大部分故障是由雷電導致的地電位異常升高引起的,為此需提高風機接地系統的暫態性能。目前風力發電機組防雷接地保護應用措施還有待完善。Olatz Ukar等[4]分析了風機接地網不同幾何形狀,地網互聯對沖擊特性的影響;Vassiliki T K等[5]研究了風機接地系統的設計方案以及如何減小地網接觸電壓和跨步電壓;Kazuo Yamamoto等[6]研究了低土壤電阻率地區的風機接地網設計及接地參數計算;方超穎等[7]通過1∶100比例縮小的兩槳葉、三槳葉風電機組模型進行模擬試驗,研究了接地電阻對風機槳葉引雷能力的影響。

本文應用矩量法建立風機接地系統暫態數值模型,計算風機接地網雷電沖擊響應,并分析不同參數對暫態地電位升的影響,提出降低暫態地電位升的措施,為風機防雷接地設計提供參考。

1 雷云對風電機組的放電機理

雷電是一種強烈的大氣長距離放電現象[8]。雷云及其向下發展的先導通道中帶有大量的負電荷,隨著下行先導前端靠近機組,由于靜電感應作用在機組上將感應聚集大量正電荷,槳葉頂端的電場產生畸變,電場強度急劇增加,引起附近空氣發生電離,出現向上發展的先導放電。當上行先導和下行先導連通時,就開始了回擊放電過程,使槳葉遭受雷擊[9]。由于槳葉發出的上行先導升空主動迎接雷云的下行先導,導致下行先導前端在距槳葉較遠處就能與上行先導會合,這在一定程度上增加了機組遭受雷擊的概率。

2 建立風機接地網暫態數值模型

2.1 基于矩量法建立地網數值計算模型

矩量法是根據導體內外表面切向場強相等的邊界條件建立方程組,并求解導體內縱向電流分布的方法[10]?；诰亓糠ㄔ?同時為提高計算精度,將接地網各導體進行剖分處理,劃分為若干導體段[11]。圖1為剖分后的局部地網支路示意圖,圖中各導體段的交點為節點。以導體段為例,其中k為導體段中點,k-與k+為節點,假設流過各導體段的軸向電流恒定且集中于導體軸線上,導體段的泄漏電流沿導體段中點流出[12]。

圖1 地網局部導體支路示意圖

基于導體表面外部電場的縱向分量應等于內部電場縱向分量的邊界條件,可以得到以下矩陣方程[13]:

jωMI+AV+ZI=0

(1)

式中:M為導體段互感矩陣;I為導體段軸向電流列向量;A為節點支路關聯矩陣;V為節點電壓列向量;Z為導體段自阻抗矩陣。其中V可表示為

V=RIe

(2)

式中:R為導體段互阻抗矩陣;Ie為泄漏電流列向量。

根據軸向電流與泄漏電流分布,可得如下關系:

Ie=ATI

(3)

式中:AT為A的轉置。

將式(2)和式(3)代入式(1)得到如下方程:

jωMI+ARATI+ZI=0

(4)

解方程(4)可得各導體段的軸向電流,進而求得接地網的泄漏電流分布及其他地網接地參數。

2.2 雷電流波形

電氣設備的雷電沖擊試驗與防雷設計要求將雷電波波形等值為可用公式表示的典型波形,雙指數波形是與雷電流波形最為接近的等值波形,其表達式為[14]

i(t)=KIm(e-αt-e-βt)

(5)

式中:K為波形的校正系數;Im為雷電流幅值;α為波前衰減系數;β為波尾衰減系數,K、α和β由雷電流波形確定。表1為幾種常見雷電流波形的參數值。

表1 幾種常見雙指數雷電流波形的K、α和β值

2.3 對雷電流進行傅里葉變換

采用矩量法建立的地網數值模型是在時域中進行求解,為得到接地系統暫態響應,將雷電流進行傅里葉分解,將時域波形轉化為頻域信號,得到頻域方程:

(6)

進而計算接地體在每個正弦電流作用下的頻域響應,并將求得的數值進行快速傅里葉反變換,得到時域下的暫態接地參數[15-16]?；谝陨戏椒?通過Matlab編程計算分析風機接地系統的暫態特性,圖2為接地網暫態計算流程圖。

圖2 接地網暫態計算流程圖

3 算例分析

取2.6/50 μs、幅值為10 kA的標準雷電流波形進行計算,采用復合接地網結構以增加散流能力。如圖3所示,單臺風機接地裝置以風機塔筒中心為圓心鋪設水平環形接地體,其中內圈圓環直徑為20 m,外圈圓環直徑為40 m,沿風機塔筒向外敷設接地扁鋼與水平環形接地帶相交,并于交點處設置垂直接地極。接地導體材料采用60 mm×6 mm鍍鋅扁鋼,地網埋深為0.8 m。假設土壤為均勻模型,計算接地系統暫態電位,分析風機接地網的暫態特性。

圖3 風機接地裝置布置簡圖

3.1 雷電流波前時間的影響

圖4為改變雷電流波前時間,在不同土壤電阻率情況下暫態地電位升的變化曲線。從圖4可以看出:雷電流波前時間越短,暫態地電位升峰值越大,當波前時間為4 μs時,曲線趨于平緩,地電位升變化緩慢;隨著土壤電阻率的升高,曲線陡度增加,受波前時間的影響越明顯。

圖4 不同雷電流波前時間下暫態地電位升變化曲線

3.2 與電流注入點距離的影響

雷電流沿風機接地網中心注入,圖5為到電流注入點不同距離處的地網電位分布曲線。由圖5可以看出,在雷電流注入點處地電位升幅值最大,隨著距電流注入點距離的增大,地電位升逐漸降低。且在地網邊緣降低幅度增大,這是由于地網邊緣增設了垂直接地極,使雷電流更好地泄放,從而使地電位升降低明顯。

圖5 距電流注入點不同距離的暫態地電位升變化

3.3 水平接地極數量的影響

圖6計算了土壤電阻率為1 000 Ω·m時,在雷電流注入點附近增加水平接地帶對暫態地電位升峰值的影響?？梢钥闯?增加水平接地帶后地電位升下降了40%,這是由于隨著接地極數量的增加和接地極間距減小,所能利用的土壤面積就越大,越利于散流,使暫態地電位升降低。當接地帶數量增加到15根時,繼續增加曲線幾乎不再下降,主要是由于接地導體數量過多時,接地體間相互存在屏蔽效應,將妨礙每個接地體向土壤中擴散電流。因此根據實際工程情況,水平接地帶的鋪設也不應過于密集。

圖6 隨著水平接地帶數量增加暫態地電位升峰值變化

3.4 地網面積的影響

圖7為不同風機接地網面積下暫態地電位升峰值的變化曲線。

圖7 改變地網面積時暫態地電位升變化曲線

從圖7可以看出:隨著土壤電阻率升高,暫態地電位升近似成線性增加;擴大風機接地網面積,地電位升峰值顯著降低,當地網直徑由80 m擴大到100 m時則降低效果趨緩,這主要是由于增大地網面積使得風機接地裝置的沖擊接地電阻減小,從而降低了地電位升。當雷擊風力發電機組時,大量暫態電流沿槳葉和塔筒注入風機接地裝置,雷電流頻率較高,使得接地導體呈現出明顯的電感效應,阻礙雷電流沿接地網遠端流動,因此接地網存在一定的沖擊有效面積,當接地網超過這一有效面積時,超出部分接地體的作用較低。

4 降低接地裝置暫態地電位升

由于風力發電的特殊性,風電場通常選址于位置空曠,風資源豐富的山頂、草原、灘涂等環境,這些位置地質條件復雜,雷電環境較為惡劣,風機遭受雷擊概率較高。傳統的風機接地網設計主要基于經驗公式及設計者的經驗水平,存在一定的設計盲目性和隨機性,若接地電阻值測試不合格,建設單位將面臨巨大的改造工作量和投資,從而影響整個工程進度。結合算例分析結果和現場實際應用,針對不同環境、不同土壤電阻率地區,對風機接地網設計提出一些建議,為風機防雷接地工程設計實際應用提供參考。

風電機組遭受雷擊后,雷電流沿泄放通道經風機接地體流散入地,接地電阻的存在使接地網電位瞬間升高,導致通過引下線與其相連的設備外殼電位瞬時提高,易造成對設備內部電路的反擊。且接地電阻越高,雷電流的泄放受阻越大,暫態電位分布越不均勻,越容易在風電機組各部件間形成較大電位差,造成過電壓損壞。為降低風機接地裝置暫態地電位升,必須降低接地系統的沖擊接地電阻。風機本身的防雷及過電壓保護已由風力發電機制造廠家在出廠前完成,但仍需對其配套設備及基礎進行防雷接地設計。國標規定在進行風電機組接地設計時,單臺風機的沖擊接地電阻應小于10 Ω[17]。

對于灘涂地及草原等土壤電阻率較低的地區,影響沖擊接地電阻的參數主要是接地導體的電感效應,但由于土壤電阻率很低,單臺風機接地一般能夠滿足要求。具體設計時,可根據實際工程地理情況,充分利用土建等設施作為自然接地體,以風機基礎為中心根據基礎管樁位置鋪設多圈環形接地網,接地網位于管樁上方并與其鋼筋網可靠連接,沿地網中心輻射向外鋪設接地扁鋼與接地帶相連接,必要時可增設垂直接地極加強散流。對于建立于土壤電阻率偏高的山區風電場,可通過適當擴大地網面積,采用復合接地網,增加電流注入點附近接地導體密度,鋪設均壓帶等措施降低風機接地系統沖擊接地電阻,以降低暫態地電位升,提高風電機組的防雷性能,在風機遭受雷擊時有效泄放雷電流。

5 結 語

通過建立風機接地系統暫態數值模型,充分考慮了鋼制接地網導體間自互阻抗影響計算接地參數,通過Matlab編程計算分析風機接地網雷電沖擊響應,計算結果較傳統計算方法更為精確。并結合不同地區環境風機接地網實際應用,提出風力發電機組地網降阻設計中應該注意的問題,為風力發電機組接地網的優化設計提供理論支持。

1) 以典型風機接地網為例,采用2.6/50 μs標準雷電流波形進行算例分析,研究不同參數對風機接地網沖擊特性的影響。

2)研究分析表明,雷電流波前時間越短、波形越陡,暫態地電位升越大,且土壤電阻率越高,影響越明顯;電流注入點處的地電位升幅值最大,且隨著距電流注入點距離的增加,地電位升逐漸降低;在雷電流注入點附近增加水平接地帶數量能夠有效降低暫態地電位升及電位梯度;擴大地網面積,地電位升顯著降低,地網存在沖擊有效面積,超過有效面積,超出部分接地體作用較低。

3)實際工程應用中應結合風電場具體地理環境,土壤電阻率等參數情況合理設計風機接地系統,降低暫態地電位升,提高風電機組防雷性能,保證風電場人身及電氣設備安全。