考虑自然接地体影响的风机塔筒底部雷击瞬态过程分析

孙 通，李 伟，张 博，夏 晖，张 石，向念文，许益纬，霍焕杰，朱 博

(1.龙源(北京)风电工程技术有限公司,北京 100034；2.合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥 230009)

0 引言

随着单台风机容量不断增大，叶片对地高度不断增加，引雷能力显著增强。内陆风电机组通常安装在土壤电阻率较高的山顶、草原和戈壁等区域，雷电反击引起的风机塔筒内部电气设备和控制设备损坏故障时有发生[1-3]。因此研究雷击风机塔筒瞬态过程具有重要的工程实践价值。

风机雷击电位升特性研究受到国内外学者的重点关注，主要开展了试验测试和建模分析两方面的研究工作。在试验测试方面，按照实际风机进行等比例缩小，搭建陡波前冲击电源，构建测试回路，研究不同测试条件下风机塔筒电位升特性[4-5]，但模拟试验测试电源和缩比风机模型与实际情况的等效性还有待进一步的研究，目前此类试验主要用于验证计算模型的有效性；在建模分析方面，文献[6-9]研究了不同人工接地系统结构对其雷击瞬态特性的影响，从接地体导体长度、几何结构、埋地深度等角度分析接地系统的冲击接地特性及瞬态电位变化特点。文献[10-13]研究了风机接地电阻和接地方式对系统过电压的影响，同时分析了设置电涌保护器后系统的过电压水平。文献[14-15]研究了风机叶片和塔筒对接地系统及塔筒雷击瞬态特性的影响，分析了雷电流波形和雷击点对风机塔筒电流分布的影响，以及不同人工接地体结构下风机接地系统瞬态电位变化规律，但均未考虑风机自然接地体对风机塔筒电位的影响。总之，国内外尚未见到考虑自然接地体的塔筒雷击瞬态电位特性详细研究。

笔者对风机塔筒雷击瞬态电位变化过程进行研究，基于频域矩量法建立考虑自然接地体的塔筒电位计算分析模型，计算分析考虑自然接地情况下塔筒底部集中放置设备区域的电位升特性，对比分析垂直桩基数量和布置对塔筒电位的影响规律，可为风力发电接地系统的设计提供参考。

1 计算模型

雷击风机叶片时，雷电流一般经叶片中导流电缆传递至风机塔筒，经由接地系统泄放入大地。基于频域矩量法，建立了包含叶片导流电缆、塔筒和接地系统3部分的计算分析模型。模型参考2 MW风力发电机实际结构，叶片导流电缆长度取40 m，塔筒为空心圆台，高度为75 m，塔筒顶端外径为2.5 m，塔筒底端外径为4 m。风机雷击瞬态过程计算原理如图1所示[16]。

图1 风机雷击瞬态过程计算原理图Fig.1 Schematic diagram for calculating the transient process of wind turbine due to lightning strike

计算中激励源采用2.6/50 μs标准双指数波形，雷电流峰值取30 kA。在建立的模型中，叶片导流电缆等效为单根导体。塔筒部分采用多根导体进行等效，分别选择8,16,32,48根进行等效，如图2所示。不同导体根数塔筒的雷电冲击阻抗值如表1所示，随着导体数量的增加，雷电冲击阻抗值出现明显的饱和效应，为了兼顾计算效率，导体数量选择32根。风机塔筒接地包括人工敷设环形铜接地体和基础钢筋自然接地体，自然接地体由风机基座钢筋与多根垂直桩基内部钢筋结构组成，典型的接地系统模型如图3所示。接地系统主要考虑两种情况：1)仅考虑人工接地体的作用如图3(a)所示；2)考虑自然接地和人工接地综合作用如图3(b)所示。

表1 导体根数对塔筒模型冲击电阻的影响Table 1 Influence of the number of conductors on the impact resistance of the tower model

图2 风机塔筒模型图Fig.2 Model diagram of wind turbine tower

图3 风机接地系统模型图Fig.3 Model diagram of wind turbine grounding system

2 自然接地体与人工接地体影响对比

为了分析自然接地体对塔筒瞬态过程的影响规律，分别考虑了两种接地情况，情况一仅考虑人工接地体，情况二考虑人工接地体和自然接地体的共同作用的影响。计算分析中，雷电流波形采用2.6/50 μs标准双指数波形，雷电流峰值取30 kA。雷电流从风机叶片顶端注入，土壤电阻率分别取100 Ω·mm和1 000 Ω·mm，计算不同情况下的雷电冲击接地电阻和距离地面3 m处的塔筒瞬态电位抬升，分别如表2和图4所示。

图4 不同接地系统结构下塔筒电位升波形图Fig.4 Potential rise waveform of tower under different grounding system structures

表2 不同接地系统结构下的雷电冲击接地电阻Table 2 Impulse grounding resistance under different grounding system structures

在表2中，低土壤电阻率100 Ω·mm时，考虑自然接地体较仅考虑人工接地体冲击接地电阻降低39.3%，高土壤电阻率1 000 Ω·mm时，考虑自然接地体较仅考虑人工接地体冲击接地电阻降低55.8%，表明自然接地体对雷电流具有良好的散流作用，工程中特别是高土壤电阻率区域风电场应充分考虑自然接地体的散流作用。

在图4中，风机塔筒底部瞬态电位升波形存在明显的振荡过程，仅考虑人工接地体的情况下振荡过程更加明显。土壤电阻率为100 Ω·mm时，考虑自然接地体和人工接地体共同作用较仅考虑人工接地体的情况塔筒底部电位升幅值降低约21.2%，土壤电阻率为1 000 Ω·mm时，降低得更多达到50.0%。计算结果表明风机基础中的钢筋结构具有良好的散流能力，能有效降低塔筒底部电位抬升，高土壤电阻率区域自然接地的散流作用更加明显。

为了分析风机塔筒底部电位升波形振荡规律，可将风机叶片和塔筒视为波阻抗为Z的传输线，接地系统等效为集总参数阻抗Zg。由于波阻抗Z数值远大于Zg，在交界处会发生波的折反射过程。假设风机叶片和塔筒总高度为h，雷电过电压波V在塔筒上传播速度为v。当雷电过电压波V沿着塔筒向下传播到塔筒与接地系统的交界处时，一部分经接地系统散流入大地，另一部分反射回塔筒，由于Z远大于Zg，反射系数β为负值；反射的负的雷电过电压波V’沿塔筒传递至叶片顶端时，由于叶片末端开路发生全反射，因此风机塔筒上雷电流波是振荡的，且其振荡周期为4h/v，振荡频率为v/4h。假设h为115 m，理想情况下过电压波在塔筒上的传播速度v为3×108m/s，则风机塔筒上电位升波形的振荡频率为0.652 MHz。

分析图4中不同接地系统结构与不同土壤电阻率下塔筒电位升波形的振荡频率f，结果如表3所示，与理论计算结果吻合。从表中数据可以看出，人工接地体与自然接地体组合情况下相比于仅人工接地体的情况，塔筒底部电位升波形的振荡频率更大；土壤电阻率越小，塔筒底部电位升波形的振荡频率就越大。这是由于考虑自然接地体作用、土壤电阻率较小时，接地系统的集总参数阻抗Zg较小，则雷电流波在塔筒与接地系统间反射系数β的绝对值较大，根据波的折反射理论，塔筒上电位升波形的振荡就较为明显，与理论值较为相符，证明了计算结果的有效性。

表3 不同接地系统结构下的塔筒底部电位升振荡频率Table 3 Oscillation frequencies of tower potential rise under different grounding system structures

3 自然接地体中桩基数量的影响分析

根据波过程理论，当保持风机叶片和塔筒参数不变时，接地系统的集总参数阻抗Zg是影响雷电过电压在风机塔筒与接地系统间折反射过程的主要因素。风机自然接地体包含承台钢筋和桩基内部钢筋，都可能会影响接地系统阻抗。为了分析自然接地体垂直桩基数量对塔筒瞬态过程的影响，分别考虑自然接地体仅含承台钢筋、4根垂直桩基、8根垂直桩基和12根垂直桩基四种情况，同时为了分析垂直桩基泄流情况，考虑将垂直桩基进行环向短接这个结构，如图5所示。分别计算土壤电阻率100 Ω·mm和1 000 Ω·mm时，接地系统雷电冲击接地电阻如表4所示，环形水平接地体上瞬态电流如图6所示，塔筒距离地面3 m处的瞬态电位抬升如图7所示。

图5 不同垂直桩基数量下接地系统模型图Fig.5 Grounding system model with different number of vertical pilings

图6 不同数量垂直桩基下环形水平接地体电流波形图Fig.6 Current waveform of annular horizontal grounding body under different number of vertical pilings

图7 不同数量垂直桩基下塔筒电位升波形图Fig.7 Potential rise waveform of tower with different number of vertical pilings

从图6可以看出，风机自然接地体中环形水平接地体上瞬态电流随垂直桩基数量的增加而增加。当土壤电阻率较低为100 Ω·mm时，相对于仅考虑承台的情况，12根垂直桩基时环形水平接地体上电流增加约54.7%；当土壤电阻率较高为1 000 Ω·mm时，两者相差约57.1%。

从图7可以看出，当土壤电阻率较低为100 Ω·mm时，相对于仅考虑承台的情况，12根垂直桩基时塔筒电位升幅值下降约1.4%；当土壤电阻率较高为1 000 Ω·mm时，两者相差约25.7%。这是由于当土壤电阻率较低时，雷电流主要通过承台内部钢筋散流，桩基数量的增加对塔筒底部电位升影响不显著；当土壤电阻率较高时，增加桩基数量有利于雷电流的散流，故桩基数量的增加对塔筒底部电位升影响较为显著。同时，相对于垂直桩基未进行环向短接的情况，将垂直桩基进行环向短接时塔筒电位升幅值变化小于1%。

不同自然接地体垂直桩基数量情况下冲击接地电阻如表4所示。数据表明随着垂直桩基数量的增加冲击接地电阻有一定程度的降低，当土壤电阻率为100 Ω·mm时，相对于仅考虑承台的情况，12根垂直桩基时风机冲击接地电阻值下降约3.8%；当土壤电阻率为1 000 Ω·mm时，两者相差约31.6%。

表4 不同数量垂直桩基下的冲击接地电阻Table 4 Impulse grounding resistance under different number of vertical pilings

4 自然接地体中桩基分布的影响分析

根据理论分析，自然接地体垂直桩基间的屏蔽效应会影响接地系统上雷电流的扩散，进而影响接地系统的冲击接地特性。为了分析自然接地体垂直桩基分布对塔筒瞬态过程的影响，分别建立两种情况，情况一考虑垂直桩基分布在承台中央附近，情况二考虑垂直桩基分布在承台边缘附近，同时为了分析垂直桩基泄流情况，考虑将垂直桩基进行环向短接这个结构，如图8所示。分别计算土壤电阻率100 Ω·mm和1 000 Ω·mm时，接地系统雷电冲击接地电阻、环形水平接地体上瞬态电流、塔筒距离地面3 m处的瞬态电位抬升，分别如图9、图10和表5所示。

图8 垂直桩基不同分布下接地系统模型Fig.8 Grounding system model with different distribution of vertical pilings

图9 垂直桩基不同分布下环形水平接地体电流波形图Fig.9 Current waveform of annular horizontal grounding body under different distribution of vertical pilings

图10 垂直桩基不同分布下塔筒电位升波形图Fig.10 Potential rise waveform of tower under different distribution of vertical pilings

表5 垂直桩基不同分布下的冲击接地电阻Table 5 Impulse grounding resistance under different distribution of vertical pilings

从图9可以看出，风机自然接地体中环形水平接地体上瞬态电流在不同垂直桩基分布和土壤电阻率情况下有一定差别。当垂直桩基分布在承台中央附近时，相对于土壤电阻率较低为100 Ω·mm的情况，土壤电阻率较高为1 000 Ω·mm时环形水平接地体上电流增加约2.4%；当垂直桩基分布在承台边缘附近时，两者相差约3.3%。

从图10可以看出，在土壤电阻率较低时，垂直桩基不同分布情况下塔筒电位升幅值基本没有差别，而在土壤电阻率较高时，塔筒电位升幅值在垂直桩基不同分布情况下有较小差别。其中，当土壤电阻率为100 Ω·mm时，相对于垂直桩基分布在承台中央附近的情况，垂直桩基分布在承台边缘附近时塔筒电位升幅值下降约0.6%；当土壤电阻率为1 000 Ω·mm时，两者相差约6.4%。这是由于相对于垂直桩基分布在承台边缘附近的情况，当相同数量的垂直桩基分布在承台中央附近时，接地系统的散流效果会因垂直桩基间的屏蔽效应而受到影响。而仅当土壤电阻率较大时，垂直桩基对于接地系统雷电流的扩散有较大影响，因此当土壤电阻率较大时，垂直桩基的分布对塔筒电位升幅值影响较大。同时，相对于垂直桩基未进行环向短接的情况，将垂直桩基进行环向短接时塔筒电位升幅值变化小于1%。

计算垂直桩基不同分布情况下的冲击接地电阻如表5所示。数据表明，垂直桩基不同分布情况下的冲击接地电阻有一定的变化，当土壤电阻率较低为100 Ω·mm时，相对于垂直桩基分布在承台中央附近的情况，当垂直桩基分布在承台边缘附近时风机冲击接地电阻值下降约1.4%；当土壤电阻率较高为1 000 Ω·mm时，两者相差约7.5%。

5 结 论

基于频域矩量法建立了考虑自然接地体的风机整机等效模型，并分析了自然接地体中垂直桩基数量和分布对风机塔筒底部雷击瞬态过程的影响，得到以下结论：

1)风机基础混凝土中的结构钢筋对风机塔筒雷击瞬态过程影响较大。考虑混凝土中的钢筋能显著降低风机雷电冲击接地电阻和塔筒底部电位抬升，在高土壤电阻地区影响更加明显。

2)雷击瞬态过电压波形呈现明显的衰减振荡，振荡频率约为0.5～0.6 MHz，随着风机冲击接地电阻值的增大振荡频率呈减小趋势。

3)风机承台中的钢筋辅助散流作用明显，考虑承台钢筋时风机冲击接地电阻和塔筒底部电位升明显减小，随着垂直桩基数量的增加，风机冲击接地电阻值和塔筒电位升进一步降低。

4)相对于垂直桩基分布在承台中央的情况，垂直桩基分布在承台边缘时散流效果更好，风机冲击接地电阻值和塔筒底部电位升有所减小。