黄 伟
江苏国信临海风力发电有限公司 江苏盐城 224000
摘要：风电场在遭受到雷电袭击的时候接地装置的电阻数值会不断加大，且雷电电流在垂直方向上的穿透性也会降低，最终导致电位分布不均匀的问题。为了能够确保电位的均衡分布，扩大雷电流垂直泄流的能力，改善地电位下降梯度，需要强化对风机接地装置的冲击特性的研究。
关键词：风机接地装置；风力发电；冲击特性；分析
接地装置雷电冲击特性主要指雷电流沿着接地体在土壤里流散的过程中引起的周围暂态电位的抬升。输电线路杆塔接地装置的冲击接地电阻会决定雷击时的塔顶电位，最终影响线路绝缘子串所承受的电压，当冲击电流作用下的接地阻抗较大时，会造成暂态电位急剧上升，引起较大的跨步电压和接触电压，危及人身与设备的安全。
在具体实施操作的时候发电站、变电站接地网的冲击接地电阻较大会影响到电力系统运行的安全性和稳定性。因此，为了确保电力系统的稳定运行需要确保接地装置具备良好的接地冲击特性。
接地装置在工频电流和雷电流下所展现的作用是不同的，而出现这种现象的原因是雷电流通过接地装置向大地散流时的特征。在受到火花效应、电感应效应影响的时候，接地装置暂态接地阻抗会呈现出时变形和频变形的特点，由此使得冲击接地电阻的大小很难被精准的解释和评估出来，只有通过复杂的暂态建模和数值分析来计算出冲击电流数值。
一、风电场风电机组基本情况概述
文章所研究的风电场有风机十三台，每台风机的额定容量为1.5MW，总装机的容量为19.5MW。由于整个风电场风机和海边之间的距离不超过500m，因而风电机场在使用的时候经常会受到台风的干扰，在台风作用下产生的频繁的雷电活动会影响风电场风电机的供电可靠性、安全性。为了确保雷击时地电位升满足人员、设备的安全需求，风机接地装置冲击接地电阻是的数值要满足一定的要求。接地装置冲击接地电阻是接地装置在冲击电流进入时对地电压峰值和电流峰值的一种比值，这个比值大小和电流的波形存在密切的关联。而实际雷击时，雷电流是通过风机的叶片和塔筒流入接地装置的。由于叶片和塔筒总高度很高，所以雷电流在其中会形成波过程，此时入地电流与注入雷电流差异很大，对实际的地电位升造成影响。因此有必要比较分析雷电流在叶片和塔筒中的波过程对接地装置上地电位升的影响。叶片和塔筒总高度会对其中的雷电流波过程产生影响，从而影响流入接地装置的雷电流和其上的地电位升。例如在风机叶片和塔筒总高度为１１０ｍ，土壤电阻率为１００Ω·ｍ，环形接地装置的地网直径Ｄ 为８０ｍ，８／２０μｓ标准雷电流波从风机叶片顶端注入时，计算得到的在塔筒底部的雷电流ｉ会发生振荡。当雷电流从接地装置引下线直接注入时，接地装置上的地电位升曲线是光滑的；而当雷电流从风机叶片顶端注入时，接地装置上的雷电流和地电位升则都出现了振荡。基于以上分析将风机叶片和塔筒看做是波阻抗为Z的传输线，风机接地装置等效是集总参数阻抗Z1。根据文献[1]、[2]中提到的波过程理论对上述计算结果进行分析，在一般情况下，风机叶片和塔筒波阻抗150兆和250兆之间，风机接地装置总体参数阻抗不超过20兆。
二、风机接地装置运行的理论研究
（一）土壤放电形式
从二十世纪二十年代的时候，接地极在冲击电流作用下的接地电阻一般会低于工频电流作用下的接地电阻。在经过全面的研究分析之后发现出现这个现象的原因是土壤在冲击电流作用下出现了击穿的现象。对于这个现象考虑土壤放电接地装置冲击特点进行了大量的建模计算分析。在分析的过程中假设土壤放电是一种均匀性、连续性发展的过程中，放点区域会围绕接地导体周围均匀电离圆柱体区域或者圆锥体区域展开的。但是在高幅度冲击电流试验操作中我们发现，土壤放电路径是比较复杂的狭窄通道，且在整个通道上存在不连续的放电通道。考虑到土壤放电一般会集中在接地导体的周围，放电过程缺乏一种直接的观测方式，因而使得土壤放电路径、放电区域大小和沿接地体的分布规律上出现了比较多的不确定性问题。
（二）土壤的临界击穿强
土壤临界击穿场强一般不会受到土壤类型、密度、均匀程度和空气间隙、空气质量的影响，且总体质量还会和试验中的统计时间延长性存在关联。在经过一系列的分析之后发现土壤的临界击穿场强和土壤电阻率之间不存在直接的关系。
（三）放电区域土壤电阻率的变化
土壤在放电之后，区域范围内的土壤电阻率也会不断降低。经过调查研究之后发现放电区域土壤电阻率的变化主要呈现出了以下三个方面的特点：第一，潮湿的黏土中土壤放电区域要比干沙中的区域大，在细砂中，沙粒是十分均衡的，沙粒之间的空气缝隙会缩小。干沙中的电离现象会减弱。而在潮湿的黏土中黏土颗粒的大小会变大，颗粒之间的空隙也会加大，最终会导致放电区域的电力数值增大。第二，土壤放电通道趋向于沿着较低电阻率的区域发展，在计算接地装置雷电冲击特性的时候会将土壤放电区域作为区域的假设是不科学的。
第三，当雷电流密度超过临界电流密度值时，在 接地导体附件会出现一个电离区域，电离区域以外的土壤会保持正常的电阻率。如果注入点电流幅值足够高，那么会在接地导体附件产生一个电弧区域 ，电弧区域外面就是非线性电离区域 。通常情况下，电弧区域的剩余电阻率非常低 ，接近于0。
（四）电感效应和电容效应
通过模拟试验分析的方式来分析接地装置电感，分析对地电容在高频下对接地装置雷电冲击特性的影响，经过一系列的研究发现。第一，电感效应会增大冲击接地电阻。电容效应则是会减少冲击接地电阻。第二，伴随电流频率的增大，低电阻土壤中的接地装置阻抗会呈现出阻性、容性和感性的变化。
三、风机接地装置的冲击特性的建模和仿真分析
（一）参考电路理论的风机接地装置的冲击特性建模和仿真
1、分布参数电路模型
伸长接地体在运作的时候可以使用均匀分布参数的有损传输线进行模拟，根据确定的接地导体单位长度的电阻、接地导体单位长度的电感、对地电容、对地电导参数，应用行波方式计算风机接地装置的冲击参数模型，并在计算模型中不断修正接地导体单位长度的电气参数。
2、集中参数电路模型
采用电阻、电感、对地电导、对地电容组成的集中电路来打造等效接地装置，并利用电网理论来对这个装置完成求解操作，从而了解接地装置雷电冲击特性。早期的集中参数电路模型没有考虑到土壤电离，但是在最近的研究中有学者开始思考垂直接地体、水平接地体和周围土壤的物理模型。虽然电路理论能够精准的考虑到土壤电离的影响，但是在使用的时候也体现出以下的不足：第一，模型大多会采取比较类似的方式来评估土壤电离区域的尺寸大小，但是在计算时候没有考虑电离区域的残留电量。想要提升计算的精准性还需要采用能够符合土壤放电形式和土壤电阻率变化规律的一种建模方式。第二，接地导体单位长度范围内电气参数和矩阵的计算操作比较复杂，且在计算的时候所有的操作都会对仿真结果的精准性产生不利的影响。
（二）基于电磁场理论的建模和仿真分析
电磁场理论在接地冲击特点方面的应用还体现在连个计算内容，一个是基于快速变换和矩量算法的计算方式，另外一个是基于有限元的分析方式。第一种方式需要计算出接地导体上的电流分布情况、土壤中的电场、土壤中的电流场、接地体注入电压等信息。在对应算法的作用下能够将雷电流转变为能够被计算的频率交流电流。其中，第一种计算方式对土壤电离模拟结果不会有电路理论的模拟结果准确，且对复杂接地网的计算精准度比较低，但是能够完成频域分析。第二种方式适合应用在不同土壤模型和不同的接地装置分析中，但是在考虑土壤电离之后会降低计算的精准度。
四、风机接地装置的冲击特性的试验研究
学者在进行大量接地装置冲击特性分析之后发现接地装置中的冲击电流数之和实际雷电流数值相比出现了比较大的差距，具体表现为：第一，幅度数值比较小。现阶段冲击试验中的电流幅度数值在40KA左右，其中，超过110KV电压等级架空线路反击抵抗雷电水平会超过40KA。线路的反击跳闸一般会在更高数值的雷电流下产生，为此，在研究的时候需要相关人员加强对更高幅值冲击电流作用下的试验研究；第二，冲击电流波前时间偏大，且分散性比较强，试验结果之前缺少可比性；第三，冲击电流波形变动没有形成统一的标准。现阶段，接地冲击特性试验对火花效应和电感效应的模拟不够准确。为了能够更好的评估接地装置的冲击特性，还需要进一步开展更高幅度、更短波前时间范围内冲进电流作用下接地装置冲击试验；第四，试验研究结果。早期接地装置冲击电流试验和电流试验以土壤临界击穿场强、火花效应、电磁感应对冲击接地电阻的影响为主。在上个世纪七十年代之后试验研究更加具备实际应用意义，开始涉及更多领域的内容。
接地装置冲击特性试验一般分为真型试验和模拟试验操作两个类型，但是前者的实验成本比较高，应用范围十分有限。考虑综合因素之后由模拟试验获得的冲击系数和冲击利用系数经验计算模式开始被人们应用到接地设计中。
结束语
综上所述，为了能够更好的研究接地装置雷电冲击特性的大电流变化，需要需要相关人员进一步开展冲击大电流作用下接地装置冲击特性的试验研究。在接地装置上产生较高幅度数值、短波前时间冲进电流获得不同类型土壤不同型式接地装置在不同幅度数值和波前时间冲击电流作用下的冲击接电阻和冲击系数，确定火花效应和电感效应对接地装置雷电冲击特点范围的影响。
【参考文献】
[1]张波, 余绍峰, 孔维政等. 接地装置雷电冲击特性的大电流试验分析[J]. 高电压技术, 2011, 37(003):548-554.
[2]邓长征, 杨迎建, 童雪芳等. 接地装置冲击特性研究分析[J]. 高电压技术, 2012(09):2447-2454.