張 毅，魯志偉，張文龍，關(guān)鵬宇

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

風(fēng)力發(fā)電作為一種低污染的新型能源，越來(lái)越多的風(fēng)電場(chǎng)在國(guó)內(nèi)投入建設(shè)，風(fēng)電技術(shù)已經(jīng)是我國(guó)電力行業(yè)不可或缺的一部分[1].風(fēng)機(jī)多建在高海拔山區(qū)、沿海地區(qū)、戈壁及平原等風(fēng)能豐富的空曠地域，高聳的風(fēng)機(jī)極易受到雷擊[2].國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)大多采用扁鋼制成，其磁導(dǎo)率相對(duì)較大，在雷電流作用下的散流性與工頻情況下相比差異較大，一旦發(fā)生雷害事故，地表會(huì)產(chǎn)生幅值很高的暫態(tài)電位升，此時(shí)接地網(wǎng)的耐雷水平由雷電流的散流能力決定[3]，為保證將故障電流迅速排泄入地，一個(gè)沖擊特性良好的接地裝置對(duì)風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行至關(guān)重要.

隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量逐年增加，對(duì)風(fēng)機(jī)接地裝置的散流性能要求越來(lái)越高，其中接地網(wǎng)的散流性能與土壤特性密切相關(guān)，接地電阻會(huì)隨著土壤層次分布、土層厚度、土壤基質(zhì)結(jié)構(gòu)[4]、土壤頻變性[5-6]和土壤溫度等土壤特性的改變而發(fā)生一定變化.近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用仿真研究和模擬實(shí)驗(yàn)等方法對(duì)土壤的沖擊特性進(jìn)行了探究[7-13]，但實(shí)際中大量的風(fēng)機(jī)所處地理環(huán)境的土壤特性十分復(fù)雜，模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)實(shí)中風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)工程相差較大，不能準(zhǔn)確反映出土壤特性對(duì)接地網(wǎng)沖擊特性的影響結(jié)果，因此，有必要針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行一定的仿真研究.

本文重點(diǎn)研究了土壤層次、土層厚度、土壤溫度等土壤特性對(duì)風(fēng)機(jī)接地裝置沖擊特性不同程度的影響，以沖擊接地電阻為主要的研究參數(shù)并通過(guò)不斷變化仿真條件，得出了各因素的影響規(guī)律.

1 仿真模型設(shè)計(jì)

圖1 多圓環(huán)接地網(wǎng)

圖2 等距四極法土壤電阻率測(cè)量

實(shí)際工程中，單臺(tái)風(fēng)機(jī)的接地裝置主要包括風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)相連接的環(huán)形地網(wǎng)，其接地電阻受接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)影響較大，為獲得良好的沖擊特性，本文建立了風(fēng)機(jī)多圓環(huán)接地網(wǎng)模型，探究土壤特性對(duì)風(fēng)機(jī)接地裝置沖擊特性的影響，鋼制多圓環(huán)接地網(wǎng)最大半徑取50 m，內(nèi)環(huán)以10 m的環(huán)間距逐步遞減，同時(shí)在其中心采用“十”字型布置的鋼材連接于多圓環(huán)接地網(wǎng).在本文中多圓環(huán)接地網(wǎng)中內(nèi)環(huán)數(shù)量為三個(gè)，實(shí)際工程中可根據(jù)工程需要在滿足接地要求前提下適當(dāng)減少內(nèi)環(huán)數(shù)量以節(jié)約成本，如圖1所示.由圖1可知，接地體半徑為0.01 m，埋深為0.6 m，將雷電流在a點(diǎn)注入，幅值取10 kA，波形為2.6/50 μs，以使仿真具備典型性.采取矩量法分析此類扁鋼結(jié)構(gòu)中電磁場(chǎng)問(wèn)題[14-16]，利用參數(shù)計(jì)算理論計(jì)算程序以沖擊接地電阻為主要研究參數(shù)，分析風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)的沖擊特性.

2 風(fēng)機(jī)布機(jī)處土壤電阻率測(cè)量

考慮風(fēng)電場(chǎng)大多建在高原或山區(qū)等高海拔地域，一般情況下，單臺(tái)風(fēng)機(jī)所處地理環(huán)境多為均勻土壤或雙層土壤結(jié)構(gòu)，對(duì)于風(fēng)機(jī)地網(wǎng)參數(shù)的設(shè)計(jì)主要依靠在布機(jī)處測(cè)量的視在土壤電阻率[17-19]，在實(shí)際工程中為獲得可靠的數(shù)據(jù)，一般采用測(cè)量精度較高的等距四極法，選在土壤環(huán)境較干燥的條件下測(cè)量，其原理如圖2所示.

在圖2中，1、4表示電流極，2、3表示電壓極，d為極間距，h0為電極埋深，h1、h2分別表示第一、二層的土壤厚度，ρ1、ρ2分別表示第一層、二層的土壤電阻率，若極間距超過(guò)電極埋深的10倍，視在電阻率計(jì)算過(guò)程為

(1)

(2)

圖3 均勻土壤下不同土壤電阻率的沖擊接地電阻

公式中：V23為電極2、3之間的電勢(shì)差；ρ為當(dāng)極間距為d時(shí)，2、3電極間測(cè)得的視在電阻率；I為注入電流.

多次改變極間距d的值，測(cè)得五組視在電阻率ρ的值，借助接地軟件反演出實(shí)際中土壤結(jié)構(gòu)模型，由此可得出各層土壤厚度及其電阻率.

3 土壤層次對(duì)沖擊特性的影響

3.1 均勻土壤

為研究接地網(wǎng)在均勻土壤下的沖擊特性，將多圓環(huán)接地網(wǎng)分別埋設(shè)于不同土壤電阻率條件下，進(jìn)行沖擊特性的仿真研究，均勻土壤條件下沖擊接地電阻的變化趨勢(shì)，如圖3所示.

由圖3可知：均勻土壤條件下，當(dāng)土壤電阻率增大時(shí)，風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)的沖擊接地電阻隨之增大，但其總體趨勢(shì)逐步變緩，例如在本文仿真條件下，當(dāng)土壤電阻率由100 Ω·m增大10倍后，Rch由原值增大9.4倍左右，土壤電阻率由100 Ω·m增大20倍后，Rch由原值增大13.4倍.這是因?yàn)樵诘屯寥离娮杪蕳l件下，接地網(wǎng)有著良好的散流性，含有高頻分量的沖擊電流會(huì)使接地網(wǎng)具有強(qiáng)烈的電感效應(yīng)，使沖擊接地電阻的增加的趨勢(shì)較大；隨著土壤電阻率升高，土壤逐漸不具備良好的導(dǎo)電性，散流效果較差，使得沖擊接地電阻越來(lái)越大，此時(shí)接地網(wǎng)整體的電感效應(yīng)逐步減弱，導(dǎo)致沖擊接地電阻的增大趨勢(shì)趨于平緩.

圖4 水平雙層土壤下多圓環(huán)接地網(wǎng)位置圖

3.2 水平雙層土壤

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組建在山區(qū)及高原等地域時(shí)，此類地區(qū)土壤多為雙層結(jié)構(gòu)，故將圖1多圓環(huán)接地網(wǎng)置于水平雙層土壤條件下，如圖4所示.以仿真研究其在此結(jié)構(gòu)下的沖擊特性.

其中：ρ1和ρ2分別代表上層和下層的土壤電阻率，取上層土壤厚度為5 m，將接地網(wǎng)埋深至0.6 m處，分別研究上層土壤電阻率改變、下層土壤電阻率取500 Ω·m和上層土壤電阻率取500 Ω·m、下層土壤電阻率改變兩種情況，在不斷改變土壤電阻率條件下進(jìn)行仿真，得到如表1和表2所示結(jié)果，其中Rch表示沖擊接地電阻，Rg表示工頻接地電阻.

表1 接地電阻隨上層土壤電阻率變化結(jié)果

表2 接地電阻隨下層土壤電阻率變化結(jié)果

綜合表1和表2，從整體情況分析可知：風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)的沖擊特性受上層土壤電阻率改變影響較大，風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)的工頻特性受下層土壤電阻率改變影響較大.例如在本文仿真條件下，在只有上層土壤電阻率改變時(shí)，ρ1由100 Ω·m增加25倍后，Rch增大到10倍左右，Rg增大到3倍左右，這是因?yàn)殡娏魅氲睾髸?huì)伴隨著集膚效應(yīng)[20]，電流穿透度會(huì)隨著電流頻率的升高而降低，雷電流的波長(zhǎng)時(shí)間很短，頻率很高，其等效頻率與工頻電流相比更高，電流穿透度更低，故在水平雙層土壤結(jié)構(gòu)中，沖擊特性受到上層土壤電阻率影響較大；在只有下層土壤電阻率改變時(shí)，ρ2由100 Ω·m增加25倍后，Rch增大到1.2倍左右，Rg增大到8倍左右，工頻電流頻率較低，對(duì)于土壤的穿透能力遠(yuǎn)高于雷電流，在水平雙層土壤結(jié)構(gòu)中，工頻特性受到下層土壤電阻率影響較大.

3.3 水平雙層土壤中土層厚度的影響

經(jīng)上文分析可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)處于水平雙層土壤結(jié)構(gòu)時(shí)，上層土壤電阻率的改變對(duì)其沖擊特性影響較大，本節(jié)中采取ρ1為500 Ω·m、ρ2為200 Ω·m和ρ1為500 Ω·m、ρ2為1 000 Ω·m兩種水平雙層土壤結(jié)構(gòu)，在不斷改變上層土壤土層厚度的情況下對(duì)風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)的沖擊特性進(jìn)行仿真研究，結(jié)果如圖5和圖6所示.

在圖5中，當(dāng)上層土壤厚度由10 m增大到60 m后，Rch增大了約3.12%，當(dāng)上層土壤厚度由10 m增大到120 m后，Rch僅增大了約4.32%，此時(shí)沖擊接地電阻與500 Ω·m均勻土壤下的值相差約0.053%；在圖6中，當(dāng)上層土壤厚度由10 m增大到60 m后，Rch減小了約1.46%，當(dāng)上層土壤厚度由10 m增大到120 m后，Rch僅減小了約1.87%，此時(shí)沖擊接地電阻與500 Ω·m均勻土壤下的值相差約0.023%；結(jié)果表明，隨著上層土壤厚度不斷增加，接地網(wǎng)的沖擊接地電阻增大或減小的趨勢(shì)都趨于平穩(wěn)，集膚效應(yīng)會(huì)使沖擊特性受淺層土壤影響較大，當(dāng)上層土壤厚度繼續(xù)增加到一定值后，雙層土壤結(jié)構(gòu)可近似看成由上層土壤組成的均勻土壤結(jié)構(gòu).

圖5 ρ1/ρ2=500 Ω·m/200 Ω·m情況下沖擊接地電阻的變化 圖6 ρ1/ρ2=500 Ω·m/1 000 Ω·m情況下沖擊接地電阻的變化

表3 土壤溫度對(duì)土壤電阻率的影響

4 土壤溫度對(duì)沖擊特性的影響

在我國(guó)部分高原地區(qū)，建有大量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，但此類地域的土壤結(jié)構(gòu)與普通土壤結(jié)構(gòu)存在很大差別，其土壤特性受溫度影響較大，其中高原凍土這一現(xiàn)象對(duì)風(fēng)機(jī)接地裝置沖擊特性的影響不可忽略.本節(jié)采用文獻(xiàn)[21]中的部分?jǐn)?shù)據(jù)，如表3所示.通過(guò)土壤溫度和電阻率的不斷變化，仿真分析了風(fēng)機(jī)多圓環(huán)接地網(wǎng)沖擊特性，結(jié)果如圖7所示.

圖7 土壤溫度對(duì)沖擊接地電阻的影響

由表3和圖7可知：土壤溫度的變化對(duì)土壤電阻率的影響較大，導(dǎo)致沖擊接地電阻隨著土壤溫度的改變有著顯著的變化，在本文仿真條件下，例如土壤溫度由20 ℃降為0 ℃后，土壤電阻率增大了約2.65倍，此時(shí)沖擊接地電阻增大了約2.01倍；土壤溫度由0 ℃降為-5 ℃后，土壤電阻率變化劇烈，增大了約48.6倍，此時(shí)沖擊接地電阻增大了約13.4倍，并且隨著土壤溫度繼續(xù)下降，其增加的趨勢(shì)依舊很大，可見(jiàn)土壤溫度對(duì)風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)的沖擊特性影響較大，實(shí)際工程中應(yīng)特別注意在0 ℃～-5 ℃這一溫度區(qū)間下接地裝置的沖擊特性會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈變化，尤其在雷暴頻繁的永凍土區(qū)域，應(yīng)對(duì)風(fēng)機(jī)接地裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行特殊考慮，以免影響風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行.

5 結(jié) 論

本文以沖擊接地電阻作為主要研究參數(shù)，以風(fēng)機(jī)多圓環(huán)接地網(wǎng)模型為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究并分析了土壤層次、土層厚度、土壤溫度等土壤特性對(duì)風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)沖擊特性不同程度的影響，結(jié)論如下：

(1)對(duì)均勻土壤而言，當(dāng)土壤電阻率增大時(shí)，接地網(wǎng)的沖擊接地電阻隨之增大，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致接地網(wǎng)的散流性變差、電感效應(yīng)減弱，使其總體增大的幅度逐步降低.

(2)對(duì)水平雙層土壤而言，集膚效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致高頻的雷電流對(duì)于土壤的穿透度低，使接地裝置的沖擊特性主要受到上層土壤電阻率影響；而工頻電流頻率較低，對(duì)于土壤的穿透能力遠(yuǎn)高于雷電流，使接地裝置的工頻特性主要受到下層土壤電阻率影響.

(3)在水平雙層土壤結(jié)構(gòu)中，在保持上下兩層土壤電阻率不變情況下，僅增加上層土壤厚度，接地網(wǎng)的沖擊接地電阻增大或減小的趨勢(shì)都趨于平穩(wěn)，沖擊特性主要受淺層土壤影響，當(dāng)上層土壤厚度繼續(xù)增加到一定值后，雙層土壤結(jié)構(gòu)可近似看成由上層土壤組成的均勻土壤結(jié)構(gòu).

(4)風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)的沖擊接地電阻受土壤溫度影響較大，總體上其值隨著土壤溫度的降低而增大，其中當(dāng)土壤溫度由0 ℃降為-5 ℃后，沖擊接地電阻數(shù)值變化劇烈，增大了約13.4倍，并且隨著土壤溫度持續(xù)下降，沖擊接地電阻增加的趨勢(shì)變化不大，實(shí)際中應(yīng)特別注意土壤溫度在0 ℃～-5 ℃區(qū)間內(nèi)變化時(shí)對(duì)接地裝置沖擊特性的影響.

上述研究結(jié)果可為實(shí)際工程中處于復(fù)雜土壤結(jié)構(gòu)的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目提供參考依據(jù)，根據(jù)部分土壤特性對(duì)接地網(wǎng)沖擊特性的影響規(guī)律，更好地對(duì)風(fēng)機(jī)接地裝置進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)及建設(shè).