高土壤电阻率地区风力发电机雷击电磁场分析*

曾 勇 张淑霞 刘 波 吴安坤 黄 钰

贵州省防雷减灾中心

高土壤电阻率地区风力发电机雷击电磁场分析*

曾 勇 张淑霞 刘 波 吴安坤 黄 钰

贵州省防雷减灾中心

贵州省风力发电项目建设正处于不断增长阶段，受到山地气候特征的影响，贵州省雷电活动频繁，具有复杂性和易损性。由于风力发电机通常建设在海拔较高处，风力发电机遭受雷击的事故不断发生。通过对目前贵州省风电场风力发电机防雷接地技术方法进行分析，指出了高土壤电阻率地区防雷接地存在的问题。同时，利用CDEGS软件建立高土壤电阻率地区风力发电机的三维数值模型，分析其遭受雷击时风机周边电磁环境，对设备和人身安全做了评估。提出了降低贵州高土壤电阻率地区风力发电机接地电阻的有效措施，为高土壤电阻率地区风力发电机防雷接地设计提供参考。

风电场；接地电阻；高土壤电阻率；电磁场；CDEGS软件

贵州省地处我国西南部，全省国土面积176167km2，占全国总面积的1.83%。在贵州省海拔较高的地区，风能资源较丰富，具有一定的开发价值。贵州省“十二五”规划的风电装机规模达450万kW，截止2014年，已完成风电装机134.81万千瓦，年发电量12.08亿千万时，风力发电已占新能源发电总量的90%。2015年贵州省风电场建设规模同2014年相比持续增加，风力发电已经在贵州全面开启。根据中电联、电业企业对2015年风风电产业发展统计数据显示，2015年贵州省累计核准容量为653万千瓦，累计在建容量为331万千瓦，新建并网容量为90万千瓦，累计并网容量为323万千瓦，发电量为33亿千瓦时。

贵州省特殊的地形地貌和山地气候特征，造成全省境内冷暖空气交汇活动频繁，天气气候复杂多变，导致了雷电活动的复杂性和雷电灾害的易发性。贵州省年平均地闪密度高达10.2次/km2，在国内排列第四位，列广东、广西、海南之后。年平均雷暴日为51.6天，属高雷暴区［1］。据不完全统计，自2000年至今，雷击伤亡人数达800多人。雷电灾害在贵州省各行业分布比例见表1，其中雷电在在电力行业中供电设备损坏占16%。目前，雷电是对贵州风力发电机构成威胁最大的自然灾害。

1　贵州地区风力发电机雷击防护现状

1.1风电场基本构成及遭受雷击原因

风电场主要由多个风电机组、箱式变电站和升压站构成。目前，在贵州省境内的风电场基本上采用“一机一箱”式，即一台风力发电机配一台箱式变电站，以下对风力发电机简称为风机。每个风力发电机组通过将风能转化为电能，输出电压等级为690V，此电压通过电缆传输到距离风风机15m左右的10/35kV箱式变电站，经过箱式变电站将690V电压升至10/35KV，再由埋地铠装电缆传输至110KV/220kV升压站，经升压站升压后并入电网。风机主要由塔筒、叶片、叶柄、轮毂等组成，其中发电机和通信设备、控制设备是风力发电机塔筒内部最为核心的器件，也是对过电压最为敏感的器件。

雷击对风力发电机组危害形式主要是直接雷击、雷电感应和雷电波入侵。直接雷击主要对风机的叶片造成危害，强大的雷电流释放的巨大能量使得风机叶片温度升高，剧烈膨胀，造成叶片破裂。雷电感应和雷电波入侵主要对风机控制系统和电子器件产生过电压危害，主要对风机塔筒内通信、控制设备等线路产生感应过电压［2-3］。风电机组的防雷问题归根结底是接地问题，接地没有达到要求是造成雷击事故的根本原因。

1.2风机遭受雷击原因

据不完全统计，目前在全省范围内已经发生不同层次的雷击风力发电机事故，这给风力发电并网建设以及正常运行带来了困扰。贵州省内盘县四格风电场近年连续遭受雷击，造成风电场运行中断，控制设备和通信设备均有不同程度损坏，带来无法估计的经济损失。2015年2月1日22时55分，省内某风电场所有风机通讯全无，经检查发现3#、18#风机光纤接线盒、塔基柜温控器及塔基指示灯电源线烧毁，其他风机正常运行。事故发生后通过组织雷电灾害专家组调查，此次事故是由当晚发生的雷电过程所致。

通过贵州省防雷减灾中心对贵州省已发生雷击风机事故的雷灾调查分析，造成贵州省内风电场风力发电机组设备损坏的原因主要是风力发电机地网接地电阻未达到设计值要求。对遭受雷击风机区域土壤电阻率进行勘测，土壤电阻率值在3000Ω·m以上，属于高土壤电阻率地区。所以，接地达不到标准和设计值要求是贵州山地风力发电机遭受雷击的根本原因。

2　仿真实验参数

仿真实验对象选取贵州省内某风力发电场C13#风力发电机组，利用CDEGS软件建立风力发电机三维数值模型，建模参数如下：

（1）雷电流相关参数。风机所处区域最大雷电流强度249.23kA，平均闪电强度53.19kA，0～20kA雷电流占28.60%，20～50kA雷电流占55.61%，50～100kA雷电流占13.45%，100kA以上雷电流占2.34%。本次实验雷电流强度选取46.09kA，雷电流上升时间为5微秒，在150微秒内衰减为零，极性为负地闪，是地闪强度发生概率最为集中区段，雷电流强度主要用作计算分析时的激励源，波形主要用作频域分析时傅里叶变换。

（2）风机地网参数。目前在贵州省内风电场内风机基础均为圆环形。风机的接地除了利用自身钢筋基础接地网外，主要利用水平环形接地体与垂直接地体相结合的接地方方式作为附加接地［4］。地网参数主要用于模型建立时对地下电网模型的描述，建立符合实际的地网模型，对雷电流入地泄流时计算分析更加精确，见表1。

表1　风力发电机接地网参数

（3）土壤模型参数。土壤电阻率是影响风力发电机接地电阻大小最为关键的因素，直接关系到雷击时雷电流泄流情况。本研究利用SYSCAL Junior土壤电阻率测试仪对C13#风机所处区域的土壤电阻率进行了测量，测量方法为温纳四极法［5］。测量电极的间距最大为29m，测量得到数据见表2，利用CDEGS软件REASP模块，对数据进行了反演解释，得出风力发电机场址区域实际土壤结构［6］。

表2　温纳四极法测得C13#分机区域土壤电阻率值

利用CDEGS软件解释出：风机所处区域土壤拟合模型为水平两层结构，从上到下为：第一层（0.00m～18.9m），平均土壤电阻率值948.45Ω·m；第二层（18.09m以下），平均土壤电阻率值149.935Ω·m。分层拟合结果的均方根误差为5.23%。土壤模型参数主要是计算接触电压和跨步电压时需要用到实际的土壤电阻率参数，便于计算出确切的接触电压值和跨步电压值。

3　风力发电机雷击电磁场仿真分析

（1）人身安全分析。雷击时风机周边人员安全采用IEC/TR 60479-4-2011（电流对人和家畜的影响——第4部分：雷击影响）判别人员是否安全［7］。利用该标准中的具体颤动激励或能量法（Specific Fibrillation Charge or Energy method）进行计算分析，表3为雷击状态下人员的安全标准值。

表3　雷击状态下的人员安全标准值

基于第二节相关实验参数，利用CDEGS软件的HIFREQ和FFTSES模块以及SESCAD建模工具，建立了C13#风机的三维数值模型，计算分析风机最高点处遭受雷击时距离风机接地网外沿3m（观测面）范围内的跨步电压值以及风机底座塔筒的接触电压。计算结果，如图1、2。

图1　雷击风机时观测面内跨步电压分布

通过图1和图2可以得出雷击风机最高点时风机时人触及风机塔筒的接触电压分布和风机接地网3m外的跨步电压分布，均随时间呈震荡性衰减，最大接触电压为1800V，最大跨步电压为80V，最大接触电压和跨步电压产生的通过人体的能量分别为30.5J和28.2J，远大于雷击状态下人体能量的标准值13.5J，所以此时在风机下面接地网3m范围外的人员是不安全的，存在人身伤亡风险。

（2）设备安全分析。设备安全性主要考虑风机接地网中心外延至15m范围内观测面内的合成电场、合成磁场进行分析计算，本研究中对雷击状态下风机电子设备安全评估主要采用计算机场地通用技术规范（GB/T 2887-2011），即机房内磁场干扰场强不大于800A/m［8］。利用CDEGS软件计算结果，如图3、4。

图2　雷击风机时观测面内接触电压分布

图3　观测面内合成电场最大值分布

计算结果表明，风机遭受雷击时，在不采取屏蔽措施及防雷接地不符合设计值要求的情况下，风机附近最大磁场远大于800A/m，可造成箱式变压器设备和塔筒控制系统设备产生过电压危害。同时合成电场也可能导致空气击穿，导致两个接近导体间发生电弧或火花。35kV箱式变电站通常设置在距离风机中心点外15m处，雷击感应电磁场极有可能对设备造成感应过电压危害。

通过现场对C13#风力发电机进行接地网接地电阻检测，检测结果表明，风力发电机地网工频接地电阻为9.25Ω远大于接地网工频接地电阻值要求4Ω以下。雷电流在通过风力发电机地网向大地泄流时，雷电流不能在短时间内泄流入地。通过仿真计算此时人员和设备处于不安全状态是合理的。同时，风力发电机场址区域表层平均土壤电阻率值948.45Ω·m，属于高土壤电阻率区域。接地工程在设计和施工过程中部分因素均可导致地网工频接地电阻值大于4Ω，地网接地电阻达不到要求是风力发电机遭受雷击时人员和设备存在不安全性的主要原因。

图4　观测面内合成磁场最大值分布

4　防雷建议

针对上述计算结果，并结合贵州特殊的地形地貌特征，主要提出以下几点风机防雷建议，在风力发电机防雷工程设计时可供参考。

（1）在贵州山地高土壤电阻率地区风机防雷接地设计时，要综合考虑土壤墒情、土壤结构、闪电数据资料等因素。不要一味按照传统方法机型接地设计，要遵循“因地制宜”原则［9］。

（2）贵州特殊的喀斯特地貌和山地气候环境，土壤对降阻剂和降阻模块的腐蚀严重。降阻剂的使用一定要可靠、有效。在使用降阻剂之前应该实地勘查分析，结合当地土壤特性和气候条件，不要盲目使用，要达到事半功倍的效果。

（3）施工工艺与接地效果直接相关，在整个接地工程施工过程中要把握好各个环节，不要忽略细小环节，否则施工完成后接地电阻达不到要求，工程整改将会带来巨大经济损失。

（4）接地是防雷工程中一个重要的环节。在对风机进行过电压和防雷设计时，应该详细了解所处区域的气象、水文和土壤等情况，更要充分对当地的历史雷电灾害情况。在做好风机防雷接地工程的同时，也要做好其他的防雷措施。

5　结束语

本文利用CDEGS软件，建立了贵州山地风力发电机三维数值模型，分析了雷击暂态时风力发电机周边电磁场分布。针对分析结果，提出了针对贵州山地风力废电机相关防雷建议。防雷接地是风力发电机防雷工程中的一个系统工程，直接关系着风力发电机安全运行。在贵州山地风力机建设过程中，要对地质资料作详细分析，结合气象等相关资料，提出一个合理的防雷接地方案。

［1］丁旻，邵莉丽，彭芳.贵州省雷暴活动规律与雷电灾害特征相关性分析［J］.贵州气象，2009，33（6）：12-13

［2］赵海翔，王晓蓉.风电机组的雷击过电压分析［J］.电网技术，2004，28（4）：27-28

［3］宋国强，张新燕.风力发电场防雷接地技术［J］.电力学报，2012，27（6）：564-565

［4］杨廷方，张航，陈智翔，罗星辰.圆环地网与方形地网冲击特性对比仿真［J］.电瓷避雷器，2013，256（6）：65-70

［5］何金良，曾嵘.电力系统接地技术［M］.北京：科学出版社，2007

［6］曾嵘，陈水明.CDEGS软件包及其在多层土壤接地设计中的应用［J］.华东电力，1998，（6）：29-32

［7］国际电工委员会.IEC/TR 60479-4-2011，电流对人和家畜的影响 第4部分：雷击影响，2011

［8］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 2887-2011，计算机场地通用规范［S］.北京：中国标准出版社，2011

［9］曾勇，吴仕军，刘波，等.贵州山地风力发电机防雷接地技术研究［J］.可再生能源，2016，34（6）：891-892

项目：贵州省气象局开放基金项目（QNKF［2015］14）