摘要：作为一种可再生的清洁能源，风能在各个领域都有所应用，而随着一座又一座风电场的建设，风电机组的运行问题逐渐凸显了出来，成为了在建设风电场的过程中必须要考虑的问题之一。笔者结合多年工作经验，深入分析并研究了风电场接地系统雷电冲击特性，希望为相关专业人员提供借鉴和参考。
关键词：风电场；接地系统；雷电冲击特性
1风电场的总体布局
图1展示的是风电场主要结构的布局图，经由风电机组产生的电能需要进行两次升压操作。第一次升压需要利用一个升压箱变设备，将风电机组产生的电压提升到35kV，第二次则需要变电站的变电器，变压器需要将第一次升压后的电压提升到110kV或者更高的电压，再将其送进电力系统中。
.png)
图1风电场主要结构布局图
图2展示的是风机接地网设备简图。风机接地网整体呈现出一个圆环的形状，为了减小接地的电阻，需要将接地网和风机基础使用接地扁钢连接在一起，并且参考实际的需要铺设合适的垂直接地极。这样，当闪电击中风机的时候，电流便会顺着风机被导入接地网中。而如果接地网的阻抗大的时候，在雷电传导的过程中线路会遭受较大的冲击，可能会发生故障，因而需要对风机接地网适当进行降阻，直至满足相关规范设计要求。
.png)
图2风机接地网简图
2风机接地圆环不等电位模型计算原理
2.1雷电流傅里叶变换
雷电流波形的标准双指数表达式为：
it(t)=KIm(eαt－eβt)(1)
.png)
在这个表达式内：雷电流幅值使用Im来表示，而雷电流的波形则决定了K、α、β的具体数值。
为了计算方便，需要将雷电流时域形式进行傅里叶变换，下述表达式即为所获得的频域形式：
.png)
2．2建立接地圆环不等电位模型
圆环不等电位等效电路图如图3所示。风机圆环接地网被划分为n段等效的微元，假设当电路发生故障的时候，从每段微元中泄露出的电流都能够被平均分配到两端，继而导入大地。当接地网内流动着短路电流的时候，地网的各段导体微元就会产生电位，把无穷远处当作参考点，假设产生的电位是这段微元两端电位和的二分之一，那么当n足够大时，就能够认为电位平均地散布在了这些导体微元上。图3中第r段微元的电位表达式是：
.png)
图3圆环不等电位等效电路图
在图3中，Fk表示的是经过地网边角的短路电流，Fo表示的是经过地网中心而进入地面的短路电流；各个阿拉伯数字以及x、y、w、z这几个小写字母都表示圆环分段的编号；节点的编号则用i、j、m、k这四个字母表示；In表示的是第n段微元中泄露的电流，Ij、Il则表示将第n段泄漏电流均分到两端点入地的泄漏电流；Ir表示的是第r段微元中泄露的电流，Im、Ik则表示将第r段泄漏电流均分到两端点入地的泄漏电流。
接地网圆环支路电压的通用表达式是：
.png)
在上式中，支路电压列向量用[U]来表示，而节点电压列向量是一个[K]阶矩阵，用[V]来表示。当节点j与i不相连的时候，矩阵[K]内的元素为0，否则为0.5.可以得出支路电压及其泄露电流的关系式：
把微元中的泄露电流平均分配到导体的两个端点中，可以得到表达式为：
.png)
在上式中，假如支路r和节点j不相连，那么Cr，j为0，反之则为1.
风机接地网圆环支路泄露电流的通用表达式是：
.png)
式上式中，等效节点泄漏电流列向量用[J]来表示，而［K］t则是［K］的转置。
根据接地网电路关系得到节点电压方程可以得到下列方程:
.png)
式上式中，[Y]是节点的导纳矩阵，综合上述可得:
.png)
如果已经知道了短路电流[F]那么就能够直接得到节点的电压向量，进而求出支路的泄露电流向量以及电压向量等各项数据。雷电流的时域形式进行傅里叶变换以后得到的频域形式下的交流电流，再求出各个频率下的电流响应，随即再进行傅里叶变换，得到雷电流下的时域响应，因为电场强度会随着电流强度的增大而增大，那么就能够求出电流强度的具体数值，最后对比土壤的击穿场强，判断其是否被击穿。
2.3接地圆环等效半径的求取
求出泄漏电流I、接地导体等效半径r以及接地导体长度l后，电流密度J的表达式为
J=(I/l)(2πr)(10)
根据电流密度J与电场强度E的关系:J=σE+jωE，可得:
.png)
将电场强度利用傅里叶反变换得到时域E(t)，如果土壤临界击穿场强Ec小于E(t)，则土壤电离后的等效半径rc为
.png)
等效半径替代接地导体半径，利用新生成的节点导纳矩阵求取改变后的泄漏电流和电场强度，多次迭代直到接地导体的等效半径计算值收敛。
3风电机组接地网雷电冲击性能的分析
3.1雷电流波头时间与入地点对冲击接地电阻影响的研究
为了分析雷电流波头时间以及入地点的不同，而对接地网冲击接地电阻的影响有何不同，进行条件如下的计算：
.png)
风机接地网的直径取30m，扁钢镀锌且规格为60×6mm，而且要埋在0.6m深的地下。在利用上述文中选取的3中雷电流波形条件下，往地网中心以及边角注入雷电流，短路电流是10kA。此外，土壤击穿场强为300kV/m。
图4和图5表示的是在上述条件下当改变土壤的电阻率时，对冲击接地电阻进行计算的成果。
.png)
图5雷电流中心注入时的冲击接地电阻
根据图4以及图5可以看出，不管是在哪种雷电流波形下，当土壤电阻率越高时，冲击接地电阻也会随之增大。但是雷电流从地网中心导入的时候，要比从边角接入时的效果更好，在散流的效果得到保障的时候还能够降低风机冲击接地电阻的阻值。此外，还能够看出雷电流波头时间与冲击接地电阻成反比关系，当波头时间缩小时，冲击接地电阻的阻抗会增大，反之，当波头时间增大的时候，冲击接地电阻的阻抗则会减小。
3.2雷电流幅值对冲击接地电阻影响的研究
为了分析雷电流幅值的不同，对风机冲击接地电阻的影响之间存在的差异，进行条件如下的计算：
雷电流波形为2.6/20μs，土壤的击穿场强和电阻率分别为300kV/m和500Ω·m。
图6为在上述条件下当改变雷电流的幅值时，对风机冲击接地电阻进行计算的结果。
.png)
图6冲击接地电阻随雷电流幅值的变化
风机接地网的面积比较大的时候，雷电流的幅值与冲击接地电阻的阻值成反比关系，而且当幅值增大到一定程度以后，冲击接地电阻阻值便趋于某个稳定的数值；而当风机接地网面积比较小的时候，因为接地导体本身阻值较高，所以当雷电流的幅值增大的时候，可以明显强化风机附近的土壤火花效应，冲击接地电阻的阻值也随之减小，而且降阻的幅度要明显高于大面积的接地网。
从图6中可以看出，在雷电流幅值处在10kA的水平时，与半径分别为5m和15m的接地圆环分别对应的冲击接地电阻阻值是24.81Ω和10.41Ω。而把幅值提高到30kA的水平以后，这两个圆环对应的冲击接地电阻分别降到了14.19Ω以及7.69Ω，而且后续变换趋于平缓。
3.3土壤击穿场强对冲击接地电阻影响的研究
土壤击穿场强由多种因素决定，因而在不同的土壤条件下，土壤的击穿场强也会存在比较大的差异。为了分析土壤击穿场强的不同，对冲击接地电阻造成的影响的差异进行条件如下的计算：
以圆环的半径作为自变量，用土壤临界击穿场强作为变化量进行多组实验，具体数据分别为不考虑电离、8kV/cm、5kV/cm、3kV/cm、1kV/cm。风机部分配置和上文一致。雷电流波形和幅值分别为2.6/50μs和10kA，土壤电阻率为400Ω·m。
图7为在不同击穿场强下当变化接地网圆环半径的时候，冲击接地电阻的计算结果。
.png)
图7冲击接地电阻随接地圆环半径的变化
根据图7可以看出，圆环面积与风机冲击接地电阻成反比关系，而且当半径增加到15m以后，冲击接地电阻的变换就趋于稳定。此外，在雷电流以及地网条件都相同的情况下，土壤的临界击穿场强和冲击接地电阻成正比关系，而且击穿场强越大，土壤的火花效应就越弱；在不把土壤电离纳入计算因素的时候，即土壤的临界击穿场强无限大的时候，土壤不会出现火花效应，而且这时的风机接地电阻是其他条件相同的情况下最大的。从图7可以看出，当圆环半径为10m的时候，不考虑电离条件下，风机接地电阻要比其他土壤击穿场强条件下的要大得多。
结论
（1）雷电流经过地网中心进入地底时的散流效果要比经过边角进入的效果要好。在0.25/100μs、2．6/50μs、8/20μs这3种不同的雷电流波形下，10kA雷电流从地网中心注入时的冲击接地电阻要比经过边角时的冲击接地电阻要低平均30%以上；而且波头时间和冲击接地电阻阻值成反比关系，随着波头时间的增长，冲击接地电阻反而会变小；
（2）雷电流幅值的提高能够使土壤火花效应变得更加强烈。而当风机接地网面积越来越小的时候，雷电流幅值带来的降阻效果就越来越明显。在雷电流幅值处在10kA的水平时，与半径分别为5m和15m的接地圆环分别对应的冲击接地电阻阻值是24.81Ω和10.41Ω。而把幅值提高到30kA的水平以后，这两个圆环对应的冲击接地电阻分别降到了14.19Ω以及7.69Ω，而且后续变换趋于平缓。
（3）风机接地网存在一个有效散流半径，当接地圆环半径增加到15m后，冲击接地电阻的变换就趋于稳定，即散流的效果就变得不明显。此外，土壤击穿场强和风机冲击接地电阻成正比关系，而且击穿场强越大，风机周围的土壤火花效应反而就越弱。当圆环半径为10m的时候，不考虑电离条件下，风机接地电阻要比其他土壤击穿场强条件下的要大得多。
参考文献
[1]徐宏碧.风电场接地系统雷电暂态特性的研究[D].东北电力大学,2015.
[2]史柳,刘骐,姜龙杰,孔深.基于CDEGS的风电场接地系统设计及应用[J].电瓷避雷器,2018(05):80-83+88.