孫 通，李 偉，張 博，夏 暉，張 石，向念文，許益緯，霍煥杰，朱 博

(1.龍?jiān)?北京)風(fēng)電工程技術(shù)有限公司,北京 100034；2.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，合肥 230009)

0 引言

隨著單臺風(fēng)機(jī)容量不斷增大，葉片對地高度不斷增加，引雷能力顯著增強(qiáng)。內(nèi)陸風(fēng)電機(jī)組通常安裝在土壤電阻率較高的山頂、草原和戈壁等區(qū)域，雷電反擊引起的風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部電氣設(shè)備和控制設(shè)備損壞故障時(shí)有發(fā)生[1-3]。因此研究雷擊風(fēng)機(jī)塔筒瞬態(tài)過程具有重要的工程實(shí)踐價(jià)值。

風(fēng)機(jī)雷擊電位升特性研究受到國內(nèi)外學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注，主要開展了試驗(yàn)測試和建模分析兩方面的研究工作。在試驗(yàn)測試方面，按照實(shí)際風(fēng)機(jī)進(jìn)行等比例縮小，搭建陡波前沖擊電源，構(gòu)建測試回路，研究不同測試條件下風(fēng)機(jī)塔筒電位升特性[4-5]，但模擬試驗(yàn)測試電源和縮比風(fēng)機(jī)模型與實(shí)際情況的等效性還有待進(jìn)一步的研究，目前此類試驗(yàn)主要用于驗(yàn)證計(jì)算模型的有效性；在建模分析方面，文獻(xiàn)[6-9]研究了不同人工接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對其雷擊瞬態(tài)特性的影響，從接地體導(dǎo)體長度、幾何結(jié)構(gòu)、埋地深度等角度分析接地系統(tǒng)的沖擊接地特性及瞬態(tài)電位變化特點(diǎn)。文獻(xiàn)[10-13]研究了風(fēng)機(jī)接地電阻和接地方式對系統(tǒng)過電壓的影響，同時(shí)分析了設(shè)置電涌保護(hù)器后系統(tǒng)的過電壓水平。文獻(xiàn)[14-15]研究了風(fēng)機(jī)葉片和塔筒對接地系統(tǒng)及塔筒雷擊瞬態(tài)特性的影響，分析了雷電流波形和雷擊點(diǎn)對風(fēng)機(jī)塔筒電流分布的影響，以及不同人工接地體結(jié)構(gòu)下風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)瞬態(tài)電位變化規(guī)律，但均未考慮風(fēng)機(jī)自然接地體對風(fēng)機(jī)塔筒電位的影響。總之，國內(nèi)外尚未見到考慮自然接地體的塔筒雷擊瞬態(tài)電位特性詳細(xì)研究。

筆者對風(fēng)機(jī)塔筒雷擊瞬態(tài)電位變化過程進(jìn)行研究，基于頻域矩量法建立考慮自然接地體的塔筒電位計(jì)算分析模型，計(jì)算分析考慮自然接地情況下塔筒底部集中放置設(shè)備區(qū)域的電位升特性，對比分析垂直樁基數(shù)量和布置對塔筒電位的影響規(guī)律，可為風(fēng)力發(fā)電接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算模型

雷擊風(fēng)機(jī)葉片時(shí)，雷電流一般經(jīng)葉片中導(dǎo)流電纜傳遞至風(fēng)機(jī)塔筒，經(jīng)由接地系統(tǒng)泄放入大地。基于頻域矩量法，建立了包含葉片導(dǎo)流電纜、塔筒和接地系統(tǒng)3部分的計(jì)算分析模型。模型參考2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)，葉片導(dǎo)流電纜長度取40 m，塔筒為空心圓臺，高度為75 m，塔筒頂端外徑為2.5 m，塔筒底端外徑為4 m。風(fēng)機(jī)雷擊瞬態(tài)過程計(jì)算原理如圖1所示[16]。

圖1 風(fēng)機(jī)雷擊瞬態(tài)過程計(jì)算原理圖Fig.1 Schematic diagram for calculating the transient process of wind turbine due to lightning strike

計(jì)算中激勵源采用2.6/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雙指數(shù)波形，雷電流峰值取30 kA。在建立的模型中，葉片導(dǎo)流電纜等效為單根導(dǎo)體。塔筒部分采用多根導(dǎo)體進(jìn)行等效，分別選擇8,16,32,48根進(jìn)行等效，如圖2所示。不同導(dǎo)體根數(shù)塔筒的雷電沖擊阻抗值如表1所示，隨著導(dǎo)體數(shù)量的增加，雷電沖擊阻抗值出現(xiàn)明顯的飽和效應(yīng)，為了兼顧計(jì)算效率，導(dǎo)體數(shù)量選擇32根。風(fēng)機(jī)塔筒接地包括人工敷設(shè)環(huán)形銅接地體和基礎(chǔ)鋼筋自然接地體，自然接地體由風(fēng)機(jī)基座鋼筋與多根垂直樁基內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)組成，典型的接地系統(tǒng)模型如圖3所示。接地系統(tǒng)主要考慮兩種情況：1)僅考慮人工接地體的作用如圖3(a)所示；2)考慮自然接地和人工接地綜合作用如圖3(b)所示。

表1 導(dǎo)體根數(shù)對塔筒模型沖擊電阻的影響Table 1 Influence of the number of conductors on the impact resistance of the tower model

圖2 風(fēng)機(jī)塔筒模型圖Fig.2 Model diagram of wind turbine tower

圖3 風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)模型圖Fig.3 Model diagram of wind turbine grounding system

2 自然接地體與人工接地體影響對比

為了分析自然接地體對塔筒瞬態(tài)過程的影響規(guī)律，分別考慮了兩種接地情況，情況一僅考慮人工接地體，情況二考慮人工接地體和自然接地體的共同作用的影響。計(jì)算分析中，雷電流波形采用2.6/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雙指數(shù)波形，雷電流峰值取30 kA。雷電流從風(fēng)機(jī)葉片頂端注入，土壤電阻率分別取100 Ω·mm和1 000 Ω·mm，計(jì)算不同情況下的雷電沖擊接地電阻和距離地面3 m處的塔筒瞬態(tài)電位抬升，分別如表2和圖4所示。

圖4 不同接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下塔筒電位升波形圖Fig.4 Potential rise waveform of tower under different grounding system structures

表2 不同接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的雷電沖擊接地電阻Table 2 Impulse grounding resistance under different grounding system structures

在表2中，低土壤電阻率100 Ω·mm時(shí)，考慮自然接地體較僅考慮人工接地體沖擊接地電阻降低39.3%，高土壤電阻率1 000 Ω·mm時(shí)，考慮自然接地體較僅考慮人工接地體沖擊接地電阻降低55.8%，表明自然接地體對雷電流具有良好的散流作用，工程中特別是高土壤電阻率區(qū)域風(fēng)電場應(yīng)充分考慮自然接地體的散流作用。

在圖4中，風(fēng)機(jī)塔筒底部瞬態(tài)電位升波形存在明顯的振蕩過程，僅考慮人工接地體的情況下振蕩過程更加明顯。土壤電阻率為100 Ω·mm時(shí)，考慮自然接地體和人工接地體共同作用較僅考慮人工接地體的情況塔筒底部電位升幅值降低約21.2%，土壤電阻率為1 000 Ω·mm時(shí)，降低得更多達(dá)到50.0%。計(jì)算結(jié)果表明風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中的鋼筋結(jié)構(gòu)具有良好的散流能力，能有效降低塔筒底部電位抬升，高土壤電阻率區(qū)域自然接地的散流作用更加明顯。

為了分析風(fēng)機(jī)塔筒底部電位升波形振蕩規(guī)律，可將風(fēng)機(jī)葉片和塔筒視為波阻抗為Z的傳輸線，接地系統(tǒng)等效為集總參數(shù)阻抗Zg。由于波阻抗Z數(shù)值遠(yuǎn)大于Zg，在交界處會發(fā)生波的折反射過程。假設(shè)風(fēng)機(jī)葉片和塔筒總高度為h，雷電過電壓波V在塔筒上傳播速度為v。當(dāng)雷電過電壓波V沿著塔筒向下傳播到塔筒與接地系統(tǒng)的交界處時(shí)，一部分經(jīng)接地系統(tǒng)散流入大地，另一部分反射回塔筒，由于Z遠(yuǎn)大于Zg，反射系數(shù)β為負(fù)值；反射的負(fù)的雷電過電壓波V’沿塔筒傳遞至葉片頂端時(shí)，由于葉片末端開路發(fā)生全反射，因此風(fēng)機(jī)塔筒上雷電流波是振蕩的，且其振蕩周期為4h/v，振蕩頻率為v/4h。假設(shè)h為115 m，理想情況下過電壓波在塔筒上的傳播速度v為3×108m/s，則風(fēng)機(jī)塔筒上電位升波形的振蕩頻率為0.652 MHz。

分析圖4中不同接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與不同土壤電阻率下塔筒電位升波形的振蕩頻率f，結(jié)果如表3所示，與理論計(jì)算結(jié)果吻合。從表中數(shù)據(jù)可以看出，人工接地體與自然接地體組合情況下相比于僅人工接地體的情況，塔筒底部電位升波形的振蕩頻率更大；土壤電阻率越小，塔筒底部電位升波形的振蕩頻率就越大。這是由于考慮自然接地體作用、土壤電阻率較小時(shí)，接地系統(tǒng)的集總參數(shù)阻抗Zg較小，則雷電流波在塔筒與接地系統(tǒng)間反射系數(shù)β的絕對值較大，根據(jù)波的折反射理論，塔筒上電位升波形的振蕩就較為明顯，與理論值較為相符，證明了計(jì)算結(jié)果的有效性。

表3 不同接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的塔筒底部電位升振蕩頻率Table 3 Oscillation frequencies of tower potential rise under different grounding system structures

3 自然接地體中樁基數(shù)量的影響分析

根據(jù)波過程理論，當(dāng)保持風(fēng)機(jī)葉片和塔筒參數(shù)不變時(shí)，接地系統(tǒng)的集總參數(shù)阻抗Zg是影響雷電過電壓在風(fēng)機(jī)塔筒與接地系統(tǒng)間折反射過程的主要因素。風(fēng)機(jī)自然接地體包含承臺鋼筋和樁基內(nèi)部鋼筋，都可能會影響接地系統(tǒng)阻抗。為了分析自然接地體垂直樁基數(shù)量對塔筒瞬態(tài)過程的影響，分別考慮自然接地體僅含承臺鋼筋、4根垂直樁基、8根垂直樁基和12根垂直樁基四種情況，同時(shí)為了分析垂直樁基泄流情況，考慮將垂直樁基進(jìn)行環(huán)向短接這個結(jié)構(gòu)，如圖5所示。分別計(jì)算土壤電阻率100 Ω·mm和1 000 Ω·mm時(shí)，接地系統(tǒng)雷電沖擊接地電阻如表4所示，環(huán)形水平接地體上瞬態(tài)電流如圖6所示，塔筒距離地面3 m處的瞬態(tài)電位抬升如圖7所示。

圖5 不同垂直樁基數(shù)量下接地系統(tǒng)模型圖Fig.5 Grounding system model with different number of vertical pilings

圖6 不同數(shù)量垂直樁基下環(huán)形水平接地體電流波形圖Fig.6 Current waveform of annular horizontal grounding body under different number of vertical pilings

圖7 不同數(shù)量垂直樁基下塔筒電位升波形圖Fig.7 Potential rise waveform of tower with different number of vertical pilings

從圖6可以看出，風(fēng)機(jī)自然接地體中環(huán)形水平接地體上瞬態(tài)電流隨垂直樁基數(shù)量的增加而增加。當(dāng)土壤電阻率較低為100 Ω·mm時(shí)，相對于僅考慮承臺的情況，12根垂直樁基時(shí)環(huán)形水平接地體上電流增加約54.7%；當(dāng)土壤電阻率較高為1 000 Ω·mm時(shí)，兩者相差約57.1%。

從圖7可以看出，當(dāng)土壤電阻率較低為100 Ω·mm時(shí)，相對于僅考慮承臺的情況，12根垂直樁基時(shí)塔筒電位升幅值下降約1.4%；當(dāng)土壤電阻率較高為1 000 Ω·mm時(shí)，兩者相差約25.7%。這是由于當(dāng)土壤電阻率較低時(shí)，雷電流主要通過承臺內(nèi)部鋼筋散流，樁基數(shù)量的增加對塔筒底部電位升影響不顯著；當(dāng)土壤電阻率較高時(shí)，增加樁基數(shù)量有利于雷電流的散流，故樁基數(shù)量的增加對塔筒底部電位升影響較為顯著。同時(shí)，相對于垂直樁基未進(jìn)行環(huán)向短接的情況，將垂直樁基進(jìn)行環(huán)向短接時(shí)塔筒電位升幅值變化小于1%。

不同自然接地體垂直樁基數(shù)量情況下沖擊接地電阻如表4所示。數(shù)據(jù)表明隨著垂直樁基數(shù)量的增加沖擊接地電阻有一定程度的降低，當(dāng)土壤電阻率為100 Ω·mm時(shí)，相對于僅考慮承臺的情況，12根垂直樁基時(shí)風(fēng)機(jī)沖擊接地電阻值下降約3.8%；當(dāng)土壤電阻率為1 000 Ω·mm時(shí)，兩者相差約31.6%。

表4 不同數(shù)量垂直樁基下的沖擊接地電阻Table 4 Impulse grounding resistance under different number of vertical pilings

4 自然接地體中樁基分布的影響分析

根據(jù)理論分析，自然接地體垂直樁基間的屏蔽效應(yīng)會影響接地系統(tǒng)上雷電流的擴(kuò)散，進(jìn)而影響接地系統(tǒng)的沖擊接地特性。為了分析自然接地體垂直樁基分布對塔筒瞬態(tài)過程的影響，分別建立兩種情況，情況一考慮垂直樁基分布在承臺中央附近，情況二考慮垂直樁基分布在承臺邊緣附近，同時(shí)為了分析垂直樁基泄流情況，考慮將垂直樁基進(jìn)行環(huán)向短接這個結(jié)構(gòu)，如圖8所示。分別計(jì)算土壤電阻率100 Ω·mm和1 000 Ω·mm時(shí)，接地系統(tǒng)雷電沖擊接地電阻、環(huán)形水平接地體上瞬態(tài)電流、塔筒距離地面3 m處的瞬態(tài)電位抬升，分別如圖9、圖10和表5所示。

圖8 垂直樁基不同分布下接地系統(tǒng)模型Fig.8 Grounding system model with different distribution of vertical pilings

圖9 垂直樁基不同分布下環(huán)形水平接地體電流波形圖Fig.9 Current waveform of annular horizontal grounding body under different distribution of vertical pilings

圖10 垂直樁基不同分布下塔筒電位升波形圖Fig.10 Potential rise waveform of tower under different distribution of vertical pilings

表5 垂直樁基不同分布下的沖擊接地電阻Table 5 Impulse grounding resistance under different distribution of vertical pilings

從圖9可以看出，風(fēng)機(jī)自然接地體中環(huán)形水平接地體上瞬態(tài)電流在不同垂直樁基分布和土壤電阻率情況下有一定差別。當(dāng)垂直樁基分布在承臺中央附近時(shí)，相對于土壤電阻率較低為100 Ω·mm的情況，土壤電阻率較高為1 000 Ω·mm時(shí)環(huán)形水平接地體上電流增加約2.4%；當(dāng)垂直樁基分布在承臺邊緣附近時(shí)，兩者相差約3.3%。

從圖10可以看出，在土壤電阻率較低時(shí)，垂直樁基不同分布情況下塔筒電位升幅值基本沒有差別，而在土壤電阻率較高時(shí)，塔筒電位升幅值在垂直樁基不同分布情況下有較小差別。其中，當(dāng)土壤電阻率為100 Ω·mm時(shí)，相對于垂直樁基分布在承臺中央附近的情況，垂直樁基分布在承臺邊緣附近時(shí)塔筒電位升幅值下降約0.6%；當(dāng)土壤電阻率為1 000 Ω·mm時(shí)，兩者相差約6.4%。這是由于相對于垂直樁基分布在承臺邊緣附近的情況，當(dāng)相同數(shù)量的垂直樁基分布在承臺中央附近時(shí)，接地系統(tǒng)的散流效果會因垂直樁基間的屏蔽效應(yīng)而受到影響。而僅當(dāng)土壤電阻率較大時(shí)，垂直樁基對于接地系統(tǒng)雷電流的擴(kuò)散有較大影響，因此當(dāng)土壤電阻率較大時(shí)，垂直樁基的分布對塔筒電位升幅值影響較大。同時(shí)，相對于垂直樁基未進(jìn)行環(huán)向短接的情況，將垂直樁基進(jìn)行環(huán)向短接時(shí)塔筒電位升幅值變化小于1%。

計(jì)算垂直樁基不同分布情況下的沖擊接地電阻如表5所示。數(shù)據(jù)表明，垂直樁基不同分布情況下的沖擊接地電阻有一定的變化，當(dāng)土壤電阻率較低為100 Ω·mm時(shí)，相對于垂直樁基分布在承臺中央附近的情況，當(dāng)垂直樁基分布在承臺邊緣附近時(shí)風(fēng)機(jī)沖擊接地電阻值下降約1.4%；當(dāng)土壤電阻率較高為1 000 Ω·mm時(shí)，兩者相差約7.5%。

5 結(jié) 論

基于頻域矩量法建立了考慮自然接地體的風(fēng)機(jī)整機(jī)等效模型，并分析了自然接地體中垂直樁基數(shù)量和分布對風(fēng)機(jī)塔筒底部雷擊瞬態(tài)過程的影響，得到以下結(jié)論：

1)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土中的結(jié)構(gòu)鋼筋對風(fēng)機(jī)塔筒雷擊瞬態(tài)過程影響較大?？紤]混凝土中的鋼筋能顯著降低風(fēng)機(jī)雷電沖擊接地電阻和塔筒底部電位抬升，在高土壤電阻地區(qū)影響更加明顯。

2)雷擊瞬態(tài)過電壓波形呈現(xiàn)明顯的衰減振蕩，振蕩頻率約為0.5～0.6 MHz，隨著風(fēng)機(jī)沖擊接地電阻值的增大振蕩頻率呈減小趨勢。

3)風(fēng)機(jī)承臺中的鋼筋輔助散流作用明顯，考慮承臺鋼筋時(shí)風(fēng)機(jī)沖擊接地電阻和塔筒底部電位升明顯減小，隨著垂直樁基數(shù)量的增加，風(fēng)機(jī)沖擊接地電阻值和塔筒電位升進(jìn)一步降低。

4)相對于垂直樁基分布在承臺中央的情況，垂直樁基分布在承臺邊緣時(shí)散流效果更好，風(fēng)機(jī)沖擊接地電阻值和塔筒底部電位升有所減小。