雷电冲击下风电机组接地系统暂态特性分析

史 柳,李立明,宣 明,李建阳

(国网吉林省电力有限公司超高压公司,长春 130000)

0 引 言

随着全球能源互联网战略的高效实施,风电、光伏等可再生能源的发电规模不断扩大,风轮直径及塔架高度不断増加,风机遭受雷击概率越来越大[1]。由雷击造成的叶片、机组电控设备损伤对风电机组有极大危害[2],当雷击事故发生时,幅值极高的雷电流沿桨叶及塔筒注入风机接地装置,若冲击接地电阻过大,接地体暂态电位异常升高,可能使被保护设备遭到反击破坏[3]。风机内部电气设备及控制系统的大部分故障是由雷电导致的地电位异常升高引起的,为此需提高风机接地系统的暂态性能。目前风力发电机组防雷接地保护应用措施还有待完善。Olatz Ukar等[4]分析了风机接地网不同几何形状,地网互联对冲击特性的影响;Vassiliki T K等[5]研究了风机接地系统的设计方案以及如何减小地网接触电压和跨步电压;Kazuo Yamamoto等[6]研究了低土壤电阻率地区的风机接地网设计及接地参数计算;方超颖等[7]通过1∶100比例缩小的两桨叶、三桨叶风电机组模型进行模拟试验,研究了接地电阻对风机桨叶引雷能力的影响。

本文应用矩量法建立风机接地系统暂态数值模型,计算风机接地网雷电冲击响应,并分析不同参数对暂态地电位升的影响,提出降低暂态地电位升的措施,为风机防雷接地设计提供参考。

1 雷云对风电机组的放电机理

雷电是一种强烈的大气长距离放电现象[8]。雷云及其向下发展的先导通道中带有大量的负电荷,随着下行先导前端靠近机组,由于静电感应作用在机组上将感应聚集大量正电荷,桨叶顶端的电场产生畸变,电场强度急剧增加,引起附近空气发生电离,出现向上发展的先导放电。当上行先导和下行先导连通时,就开始了回击放电过程,使桨叶遭受雷击[9]。由于桨叶发出的上行先导升空主动迎接雷云的下行先导,导致下行先导前端在距桨叶较远处就能与上行先导会合,这在一定程度上增加了机组遭受雷击的概率。

2 建立风机接地网暂态数值模型

2.1 基于矩量法建立地网数值计算模型

矩量法是根据导体内外表面切向场强相等的边界条件建立方程组,并求解导体内纵向电流分布的方法[10]。基于矩量法原理,同时为提高计算精度,将接地网各导体进行剖分处理,划分为若干导体段[11]。图1为剖分后的局部地网支路示意图,图中各导体段的交点为节点。以导体段为例,其中k为导体段中点,k-与k+为节点,假设流过各导体段的轴向电流恒定且集中于导体轴线上,导体段的泄漏电流沿导体段中点流出[12]。

图1 地网局部导体支路示意图

基于导体表面外部电场的纵向分量应等于内部电场纵向分量的边界条件,可以得到以下矩阵方程[13]:

jωMI+AV+ZI=0

(1)

式中:M为导体段互感矩阵;I为导体段轴向电流列向量;A为节点支路关联矩阵;V为节点电压列向量;Z为导体段自阻抗矩阵。其中V可表示为

V=RIe

(2)

式中:R为导体段互阻抗矩阵;Ie为泄漏电流列向量。

根据轴向电流与泄漏电流分布,可得如下关系:

Ie=ATI

(3)

式中:AT为A的转置。

将式(2)和式(3)代入式(1)得到如下方程:

jωMI+ARATI+ZI=0

(4)

解方程(4)可得各导体段的轴向电流,进而求得接地网的泄漏电流分布及其他地网接地参数。

2.2 雷电流波形

电气设备的雷电冲击试验与防雷设计要求将雷电波波形等值为可用公式表示的典型波形,双指数波形是与雷电流波形最为接近的等值波形,其表达式为[14]

i(t)=KIm(e-αt-e-βt)

(5)

式中:K为波形的校正系数;Im为雷电流幅值;α为波前衰减系数;β为波尾衰减系数,K、α和β由雷电流波形确定。表1为几种常见雷电流波形的参数值。

表1 几种常见双指数雷电流波形的K、α和β值

2.3 对雷电流进行傅里叶变换

采用矩量法建立的地网数值模型是在时域中进行求解,为得到接地系统暂态响应,将雷电流进行傅里叶分解,将时域波形转化为频域信号,得到频域方程:

(6)

进而计算接地体在每个正弦电流作用下的频域响应,并将求得的数值进行快速傅里叶反变换,得到时域下的暂态接地参数[15-16]。基于以上方法,通过Matlab编程计算分析风机接地系统的暂态特性,图2为接地网暂态计算流程图。

图2 接地网暂态计算流程图

3 算例分析

取2.6/50 μs、幅值为10 kA的标准雷电流波形进行计算,采用复合接地网结构以增加散流能力。如图3所示,单台风机接地装置以风机塔筒中心为圆心铺设水平环形接地体,其中内圈圆环直径为20 m,外圈圆环直径为40 m,沿风机塔筒向外敷设接地扁钢与水平环形接地带相交,并于交点处设置垂直接地极。接地导体材料采用60 mm×6 mm镀锌扁钢,地网埋深为0.8 m。假设土壤为均匀模型,计算接地系统暂态电位,分析风机接地网的暂态特性。

图3 风机接地装置布置简图

3.1 雷电流波前时间的影响

图4为改变雷电流波前时间,在不同土壤电阻率情况下暂态地电位升的变化曲线。从图4可以看出:雷电流波前时间越短,暂态地电位升峰值越大,当波前时间为4 μs时,曲线趋于平缓,地电位升变化缓慢;随着土壤电阻率的升高,曲线陡度增加,受波前时间的影响越明显。

图4 不同雷电流波前时间下暂态地电位升变化曲线

3.2 与电流注入点距离的影响

雷电流沿风机接地网中心注入,图5为到电流注入点不同距离处的地网电位分布曲线。由图5可以看出,在雷电流注入点处地电位升幅值最大,随着距电流注入点距离的增大,地电位升逐渐降低。且在地网边缘降低幅度增大,这是由于地网边缘增设了垂直接地极,使雷电流更好地泄放,从而使地电位升降低明显。

图5 距电流注入点不同距离的暂态地电位升变化

3.3 水平接地极数量的影响

图6计算了土壤电阻率为1 000 Ω·m时,在雷电流注入点附近增加水平接地带对暂态地电位升峰值的影响。可以看出,增加水平接地带后地电位升下降了40%,这是由于随着接地极数量的增加和接地极间距减小,所能利用的土壤面积就越大,越利于散流,使暂态地电位升降低。当接地带数量增加到15根时,继续增加曲线几乎不再下降,主要是由于接地导体数量过多时,接地体间相互存在屏蔽效应,将妨碍每个接地体向土壤中扩散电流。因此根据实际工程情况,水平接地带的铺设也不应过于密集。

图6 随着水平接地带数量增加暂态地电位升峰值变化

3.4 地网面积的影响

图7为不同风机接地网面积下暂态地电位升峰值的变化曲线。

图7 改变地网面积时暂态地电位升变化曲线

从图7可以看出:随着土壤电阻率升高,暂态地电位升近似成线性增加;扩大风机接地网面积,地电位升峰值显著降低,当地网直径由80 m扩大到100 m时则降低效果趋缓,这主要是由于增大地网面积使得风机接地装置的冲击接地电阻减小,从而降低了地电位升。当雷击风力发电机组时,大量暂态电流沿桨叶和塔筒注入风机接地装置,雷电流频率较高,使得接地导体呈现出明显的电感效应,阻碍雷电流沿接地网远端流动,因此接地网存在一定的冲击有效面积,当接地网超过这一有效面积时,超出部分接地体的作用较低。

4 降低接地装置暂态地电位升

由于风力发电的特殊性,风电场通常选址于位置空旷,风资源丰富的山顶、草原、滩涂等环境,这些位置地质条件复杂,雷电环境较为恶劣,风机遭受雷击概率较高。传统的风机接地网设计主要基于经验公式及设计者的经验水平,存在一定的设计盲目性和随机性,若接地电阻值测试不合格,建设单位将面临巨大的改造工作量和投资,从而影响整个工程进度。结合算例分析结果和现场实际应用,针对不同环境、不同土壤电阻率地区,对风机接地网设计提出一些建议,为风机防雷接地工程设计实际应用提供参考。

风电机组遭受雷击后,雷电流沿泄放通道经风机接地体流散入地,接地电阻的存在使接地网电位瞬间升高,导致通过引下线与其相连的设备外壳电位瞬时提高,易造成对设备内部电路的反击。且接地电阻越高,雷电流的泄放受阻越大,暂态电位分布越不均匀,越容易在风电机组各部件间形成较大电位差,造成过电压损坏。为降低风机接地装置暂态地电位升,必须降低接地系统的冲击接地电阻。风机本身的防雷及过电压保护已由风力发电机制造厂家在出厂前完成,但仍需对其配套设备及基础进行防雷接地设计。国标规定在进行风电机组接地设计时,单台风机的冲击接地电阻应小于10 Ω[17]。

对于滩涂地及草原等土壤电阻率较低的地区,影响冲击接地电阻的参数主要是接地导体的电感效应,但由于土壤电阻率很低,单台风机接地一般能够满足要求。具体设计时,可根据实际工程地理情况,充分利用土建等设施作为自然接地体,以风机基础为中心根据基础管桩位置铺设多圈环形接地网,接地网位于管桩上方并与其钢筋网可靠连接,沿地网中心辐射向外铺设接地扁钢与接地带相连接,必要时可增设垂直接地极加强散流。对于建立于土壤电阻率偏高的山区风电场,可通过适当扩大地网面积,采用复合接地网,增加电流注入点附近接地导体密度,铺设均压带等措施降低风机接地系统冲击接地电阻,以降低暂态地电位升,提高风电机组的防雷性能,在风机遭受雷击时有效泄放雷电流。

5 结 语

通过建立风机接地系统暂态数值模型,充分考虑了钢制接地网导体间自互阻抗影响计算接地参数,通过Matlab编程计算分析风机接地网雷电冲击响应,计算结果较传统计算方法更为精确。并结合不同地区环境风机接地网实际应用,提出风力发电机组地网降阻设计中应该注意的问题,为风力发电机组接地网的优化设计提供理论支持。

1) 以典型风机接地网为例,采用2.6/50 μs标准雷电流波形进行算例分析,研究不同参数对风机接地网冲击特性的影响。

2)研究分析表明,雷电流波前时间越短、波形越陡,暂态地电位升越大,且土壤电阻率越高,影响越明显;电流注入点处的地电位升幅值最大,且随着距电流注入点距离的增加,地电位升逐渐降低;在雷电流注入点附近增加水平接地带数量能够有效降低暂态地电位升及电位梯度;扩大地网面积,地电位升显著降低,地网存在冲击有效面积,超过有效面积,超出部分接地体作用较低。

3)实际工程应用中应结合风电场具体地理环境,土壤电阻率等参数情况合理设计风机接地系统,降低暂态地电位升,提高风电机组防雷性能,保证风电场人身及电气设备安全。