土壤特性对风机接地装置冲击特性的影响

张 毅，鲁志伟，张文龙，关鹏宇

(东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012)

风力发电作为一种低污染的新型能源，越来越多的风电场在国内投入建设，风电技术已经是我国电力行业不可或缺的一部分[1].风机多建在高海拔山区、沿海地区、戈壁及平原等风能丰富的空旷地域，高耸的风机极易受到雷击[2].国内风机接地网大多采用扁钢制成，其磁导率相对较大，在雷电流作用下的散流性与工频情况下相比差异较大，一旦发生雷害事故，地表会产生幅值很高的暂态电位升，此时接地网的耐雷水平由雷电流的散流能力决定[3]，为保证将故障电流迅速排泄入地，一个冲击特性良好的接地装置对风机的安全运行至关重要.

随着国内风机的单机容量逐年增加，对风机接地装置的散流性能要求越来越高，其中接地网的散流性能与土壤特性密切相关，接地电阻会随着土壤层次分布、土层厚度、土壤基质结构[4]、土壤频变性[5-6]和土壤温度等土壤特性的改变而发生一定变化.近些年来，国内外许多学者利用仿真研究和模拟实验等方法对土壤的冲击特性进行了探究[7-13]，但实际中大量的风机所处地理环境的土壤特性十分复杂，模拟实验和现实中风电场的建设工程相差较大，不能准确反映出土壤特性对接地网冲击特性的影响结果，因此，有必要针对上述问题进行一定的仿真研究.

本文重点研究了土壤层次、土层厚度、土壤温度等土壤特性对风机接地装置冲击特性不同程度的影响，以冲击接地电阻为主要的研究参数并通过不断变化仿真条件，得出了各因素的影响规律.

1 仿真模型设计

图1 多圆环接地网

图2 等距四极法土壤电阻率测量

实际工程中，单台风机的接地装置主要包括风机基础及与风机基础相连接的环形地网，其接地电阻受接地网拓扑结构影响较大，为获得良好的冲击特性，本文建立了风机多圆环接地网模型，探究土壤特性对风机接地装置冲击特性的影响，钢制多圆环接地网最大半径取50 m，内环以10 m的环间距逐步递减，同时在其中心采用“十”字型布置的钢材连接于多圆环接地网.在本文中多圆环接地网中内环数量为三个，实际工程中可根据工程需要在满足接地要求前提下适当减少内环数量以节约成本，如图1所示.由图1可知，接地体半径为0.01 m，埋深为0.6 m，将雷电流在a点注入，幅值取10 kA，波形为2.6/50 μs，以使仿真具备典型性.采取矩量法分析此类扁钢结构中电磁场问题[14-16]，利用参数计算理论计算程序以冲击接地电阻为主要研究参数，分析风机接地网的冲击特性.

2 风机布机处土壤电阻率测量

考虑风电场大多建在高原或山区等高海拔地域，一般情况下，单台风机所处地理环境多为均匀土壤或双层土壤结构，对于风机地网参数的设计主要依靠在布机处测量的视在土壤电阻率[17-19]，在实际工程中为获得可靠的数据，一般采用测量精度较高的等距四极法，选在土壤环境较干燥的条件下测量，其原理如图2所示.

在图2中，1、4表示电流极，2、3表示电压极，d为极间距，h0为电极埋深，h1、h2分别表示第一、二层的土壤厚度，ρ1、ρ2分别表示第一层、二层的土壤电阻率，若极间距超过电极埋深的10倍，视在电阻率计算过程为

(1)

(2)

图3 均匀土壤下不同土壤电阻率的冲击接地电阻

公式中：V23为电极2、3之间的电势差；ρ为当极间距为d时，2、3电极间测得的视在电阻率；I为注入电流.

多次改变极间距d的值，测得五组视在电阻率ρ的值，借助接地软件反演出实际中土壤结构模型，由此可得出各层土壤厚度及其电阻率.

3 土壤层次对冲击特性的影响

3.1 均匀土壤

为研究接地网在均匀土壤下的冲击特性，将多圆环接地网分别埋设于不同土壤电阻率条件下，进行冲击特性的仿真研究，均匀土壤条件下冲击接地电阻的变化趋势，如图3所示.

由图3可知：均匀土壤条件下，当土壤电阻率增大时，风机接地网的冲击接地电阻随之增大，但其总体趋势逐步变缓，例如在本文仿真条件下，当土壤电阻率由100 Ω·m增大10倍后，Rch由原值增大9.4倍左右，土壤电阻率由100 Ω·m增大20倍后，Rch由原值增大13.4倍.这是因为在低土壤电阻率条件下，接地网有着良好的散流性，含有高频分量的冲击电流会使接地网具有强烈的电感效应，使冲击接地电阻的增加的趋势较大；随着土壤电阻率升高，土壤逐渐不具备良好的导电性，散流效果较差，使得冲击接地电阻越来越大，此时接地网整体的电感效应逐步减弱，导致冲击接地电阻的增大趋势趋于平缓.

图4 水平双层土壤下多圆环接地网位置图

3.2 水平双层土壤

当风电机组建在山区及高原等地域时，此类地区土壤多为双层结构，故将图1多圆环接地网置于水平双层土壤条件下，如图4所示.以仿真研究其在此结构下的冲击特性.

其中：ρ1和ρ2分别代表上层和下层的土壤电阻率，取上层土壤厚度为5 m，将接地网埋深至0.6 m处，分别研究上层土壤电阻率改变、下层土壤电阻率取500 Ω·m和上层土壤电阻率取500 Ω·m、下层土壤电阻率改变两种情况，在不断改变土壤电阻率条件下进行仿真，得到如表1和表2所示结果，其中Rch表示冲击接地电阻，Rg表示工频接地电阻.

表1 接地电阻随上层土壤电阻率变化结果

表2 接地电阻随下层土壤电阻率变化结果

综合表1和表2，从整体情况分析可知：风机接地网的冲击特性受上层土壤电阻率改变影响较大，风机接地网的工频特性受下层土壤电阻率改变影响较大.例如在本文仿真条件下，在只有上层土壤电阻率改变时，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，这是因为电流入地后会伴随着集肤效应[20]，电流穿透度会随着电流频率的升高而降低，雷电流的波长时间很短，频率很高，其等效频率与工频电流相比更高，电流穿透度更低，故在水平双层土壤结构中，冲击特性受到上层土壤电阻率影响较大；在只有下层土壤电阻率改变时，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，工频电流频率较低，对于土壤的穿透能力远高于雷电流，在水平双层土壤结构中，工频特性受到下层土壤电阻率影响较大.

3.3 水平双层土壤中土层厚度的影响

经上文分析可知，当风机接地网处于水平双层土壤结构时，上层土壤电阻率的改变对其冲击特性影响较大，本节中采取ρ1为500 Ω·m、ρ2为200 Ω·m和ρ1为500 Ω·m、ρ2为1 000 Ω·m两种水平双层土壤结构，在不断改变上层土壤土层厚度的情况下对风机接地网的冲击特性进行仿真研究，结果如图5和图6所示.

在图5中，当上层土壤厚度由10 m增大到60 m后，Rch增大了约3.12%，当上层土壤厚度由10 m增大到120 m后，Rch仅增大了约4.32%，此时冲击接地电阻与500 Ω·m均匀土壤下的值相差约0.053%；在图6中，当上层土壤厚度由10 m增大到60 m后，Rch减小了约1.46%，当上层土壤厚度由10 m增大到120 m后，Rch仅减小了约1.87%，此时冲击接地电阻与500 Ω·m均匀土壤下的值相差约0.023%；结果表明，随着上层土壤厚度不断增加，接地网的冲击接地电阻增大或减小的趋势都趋于平稳，集肤效应会使冲击特性受浅层土壤影响较大，当上层土壤厚度继续增加到一定值后，双层土壤结构可近似看成由上层土壤组成的均匀土壤结构.

图5 ρ1/ρ2=500 Ω·m/200 Ω·m情况下冲击接地电阻的变化 图6 ρ1/ρ2=500 Ω·m/1 000 Ω·m情况下冲击接地电阻的变化

表3 土壤温度对土壤电阻率的影响

4 土壤温度对冲击特性的影响

在我国部分高原地区，建有大量风力发电机组，但此类地域的土壤结构与普通土壤结构存在很大差别，其土壤特性受温度影响较大，其中高原冻土这一现象对风机接地装置冲击特性的影响不可忽略.本节采用文献[21]中的部分数据，如表3所示.通过土壤温度和电阻率的不断变化，仿真分析了风机多圆环接地网冲击特性，结果如图7所示.

图7 土壤温度对冲击接地电阻的影响

由表3和图7可知：土壤温度的变化对土壤电阻率的影响较大，导致冲击接地电阻随着土壤温度的改变有着显著的变化，在本文仿真条件下，例如土壤温度由20 ℃降为0 ℃后，土壤电阻率增大了约2.65倍，此时冲击接地电阻增大了约2.01倍；土壤温度由0 ℃降为-5 ℃后，土壤电阻率变化剧烈，增大了约48.6倍，此时冲击接地电阻增大了约13.4倍，并且随着土壤温度继续下降，其增加的趋势依旧很大，可见土壤温度对风机接地网的冲击特性影响较大，实际工程中应特别注意在0 ℃～-5 ℃这一温度区间下接地装置的冲击特性会产生强烈变化，尤其在雷暴频繁的永冻土区域，应对风机接地装置的设计进行特殊考虑，以免影响风机的安全运行.

5 结 论

本文以冲击接地电阻作为主要研究参数，以风机多圆环接地网模型为基础，重点研究并分析了土壤层次、土层厚度、土壤温度等土壤特性对风机接地网冲击特性不同程度的影响，结论如下：

(1)对均匀土壤而言，当土壤电阻率增大时，接地网的冲击接地电阻随之增大，但同时会导致接地网的散流性变差、电感效应减弱，使其总体增大的幅度逐步降低.

(2)对水平双层土壤而言，集肤效应会导致高频的雷电流对于土壤的穿透度低，使接地装置的冲击特性主要受到上层土壤电阻率影响；而工频电流频率较低，对于土壤的穿透能力远高于雷电流，使接地装置的工频特性主要受到下层土壤电阻率影响.

(3)在水平双层土壤结构中，在保持上下两层土壤电阻率不变情况下，仅增加上层土壤厚度，接地网的冲击接地电阻增大或减小的趋势都趋于平稳，冲击特性主要受浅层土壤影响，当上层土壤厚度继续增加到一定值后，双层土壤结构可近似看成由上层土壤组成的均匀土壤结构.

(4)风机接地网的冲击接地电阻受土壤温度影响较大，总体上其值随着土壤温度的降低而增大，其中当土壤温度由0 ℃降为-5 ℃后，冲击接地电阻数值变化剧烈，增大了约13.4倍，并且随着土壤温度持续下降，冲击接地电阻增加的趋势变化不大，实际中应特别注意土壤温度在0 ℃～-5 ℃区间内变化时对接地装置冲击特性的影响.

上述研究结果可为实际工程中处于复杂土壤结构的风电场建设项目提供参考依据，根据部分土壤特性对接地网冲击特性的影响规律，更好地对风机接地装置进行有针对性的设计及建设.