涉及风电场接地系统的人身安全性因素研究

王旭明， 董小瑞， 李 伟， 孙 伟， 弓君强， 樊 毅， 苏 帅， 王鑫琪

(1.国网山西省电力公司运城供电公司, 山西 运城 044000；

2.国网陕西省电力公司电力科学研究院，西安 710100；

3.黄陵矿业煤矸石发电有限公司，陕西 延安 716000)

2021年3月，李克强总理在全国人大四次会议开幕式上进行政府工作报告时提出了要扎实做好碳达峰、碳中和的各项工作。2021年10月，国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》中强调能源绿色低碳转型、大力发展新能源，在推进新能源可靠替代过程中逐步有序减少传统能源，到2030年，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上[1]。在电力系统中，风电、光伏、水电等可再生能源的占比对于实现“双碳”目标意义非凡，截止2021年底，我国的风力发电装机总容量已达3.3亿千瓦，预计2022年底我国风电装机总容量将达到3.8亿千瓦[2]，而风电机组通常安装于高耸、开阔及近海位置，极易遭受雷击，进而造成电气设备故障或人身伤害，因此雷电防护成为风电系统亟待研究的重要课题。

针对风电场风电机组遭受雷击时的暂态过程，学者们进行了大量的研究，其中包括试验研究、仿真计算和理论分析等方面：如文献[3]在ATP-EMTP软件中搭建了风力发电机组的单机仿真计算模型，对机组各部位的雷电暂态响应和过电压分布情况进行了计算，并研究了机组接地网冲击接地电阻在不同情况下的变化规律；
文献[4]中针对机组遭受直击雷，分别以等值电路仿真计算和缩比模型试验的方式研究了雷击机组不同位置时对应的过电压数值计算；
文献[5]以试验的形式，使用冲击电流发生器对不同的机组雷电防护设计的复合材料进行了击穿试验；
文献[6]以机组停运数量为指标，对比了链形、环形、星形等不同的机群拓扑结构面临雷击故障时的可靠性；
文献[7]梳理出了5条亟待解决的大型风电场遭受雷击时的问题，包括风电机组雷击风险评估方法、雷击桨叶损伤机制等。但是鲜有文章对风电场附近人员在遭受雷击时的安全性问题进行研究。

IEC 61400-24中指出接地系统的设立目标便是在电气系统遭受工频过电压和雷击过电压时保护电气设备的完整性和人身的安全性[8]。此外，相关文献中对风电场的接地系统的接地电阻值进行了规定，认为当单台风电机组的工频接地电阻值小于10 Ω时便可以满足机组的防雷需求，但是这一数值的确定并未考虑到机组附近的接触电压和跨步电压等，因此有可能存在接地电阻值合格，而工频故障或雷击故障时接触电压和跨步电压等安全性参数大于人身所能承受的极限而使得人身安全受到威胁，因此有必要展开风电场在面临工频过电压和雷击时的人身安全性因素研究，包括接触电压和跨步电压等[9-11]。

CDEGS(Current Distribution, Electromagnetic Fields, Grounding and Soil Structure Analysis)软件由加拿大安全工程服务与技术有限公司研发，在其中可以方便的建立电气模型对电力系统接地、电磁场和雷击故障等问题进行分析[12-13]。本研究将以典型的风电场为例，在CDEGS软件中建立起整个风电场的仿真计算模型，分析风电场在工频过电压和雷击故障下的人身安全性因素变化情况，以便为此类事件发生时的安全措施制定提供可靠数据依据，为风电场接地系统的改造升级提供理论依据，降低由于防范措施不足而导致的人身伤害事件发生率。

风电场的接地系统主要包括升压站接地网、杆塔接地体和机组接地网，这些接地网分布的空间范围较为广泛，相距距离往往可以达到数千米，并且每处接地网的结构和所处位置土壤电阻率通常也各不相同，甚至多个机组接地网相互连接来降低接地电阻值[14-16]。为了研究工频过电压和雷击过电压环境下风电场接地系统的人身安全性参数，需要选取较为典型的风电场进行研究，建立起风电场接地系统的全域仿真计算模型，设置不同参数的工频过电压和雷击过电压故障情况来分析接触电压、跨步电压等安全问题[17-21]。

1.1 风电场一次接线

选取山西省某风电场作为研究对象，该场总装机容量50 MW，单机容量3.6 MW，规划装机14台，机组额定功率因数cosφ=±0.95，额定输出电压690 V。每台机组通过额定容量为4 000 kVA的预装式箱式变电站升压至35 kV后送至风电场升压站，其中包括94架集电线路铁塔，共计3回集电线路。升压站中使用1台额定容量为50 MVA的变压器将35 kV升压至110 kV。升压站由一回110 kV输电线路连接至15 km外的220 kV枢纽变电站，与公共电网连接。其一次系统接线图如图1中所示。

1.2 单台机组接地网模型

本研究中的分析选取其中7台机组和升压变电站作为研究对象，利用Wenner四极法现场测量各个机位、升压站处的土壤电阻率，为了较高的计算精度，将各处的土壤电阻率均设置为2层土壤电阻率分层的模型。值得注意的是，土壤电阻率参数并非一成不变的，会随季节、温度和含水量等外界环境的变化而变化，文献[22-26]中提供了可供参考的土壤电阻率季节修正系数，选取修正系数最大的8月份为例进行分析，以便能够模拟最差的故障情况，修正后的各处土壤电阻率参数如表1中所示。

查阅机组的接地网平面设计图可知，单个机组接地网的结构如图2中所示，包括塔基混凝土中的钢筋结构和周围铺设的人工接地网两部分：其中塔基半径7 m，包括混凝土桩和混凝土重力平板，重力平板的下方等间隔的分布着两圈混凝土桩，塔基中的钢筋结构材料的等效截面直径为3.5 cm，混凝土桩中钢筋笼的直径为1 m，长度15 m；
人工接地网沿着塔基环绕一圈，距离塔基边缘为3 m，埋深1 m，人工接地网中的金属材料等效直径为6 cm，通过4根金属与塔基中的钢筋结构相连。各个机组和升压站的工频接地电阻值根据表1中的土壤参数和图2中的接地体结构进行确定，表1中也列出了计算得到的各个机组和升压站的接地电阻值。

表1 各处土壤电阻率参数Table 1 Soil resistivity parameters

图2 单台风电机组的接地网计算模型Fig.2 Calculation model of grounding grid for single wind turbine

1.3 风电场仿真计算模型

基于该风电场的地理接线图，在CDEGS软件中建立起7台机组和升压变电站的接地系统仿真计算模型，俯视图如图3中所示，包括升压站接地网、35 kV输电线路杆塔接地体、架空地线、7台机组的接地网等。可以求解出图3模型中各处发生过电压故障时的各处电位分布情况，进而评估风电场接地系统的安全性。

图3 风电场接地系统的全域计算模型Fig.3 Global calculation model of wind farm grounding system

1.4 研究方案

为了研究涉及风电场接地系统的人身安全性参数特性，需要模拟不同的故障电流分布情况，包括工频过电流和雷击过电流两种情况，其中工频过电流包括升压站110 kV侧、升压站35 kV侧等不同位置的情形，雷击过电流则主要研究雷击中各个机组时的电位分布情况。以便评估整个风电场接地系统的安全性能。

主要需要考虑升压站接地和机组接地之间通过架空地线的连接，因为在升压站内发生的故障可能通过架空地线传播至各个机组或者箱变，影响机组的稳定运行。因此，发生在升压站低压侧或高压侧故障可能会蔓延到每台风电机组，在机组处形成较高的转移电位，威胁附近工作人员的安全。值得注意的是：工频和雷击故障条件下的风电场周围人员人身安全性，并未涉及到风电场电气设备的安全性研究，建立的模型也仅供研究风电场接地系统的人身安全性，并不针对设备安全性。

单相接地故障时的故障电流最为常见，故在仿真过程中即以站内单相接地故障为例分析该种情况下变电站接地网的安全性能。需要具体模拟工频故障和雷击故障下的接地系统安全性，其中工频故障包括2处：升压站的110 kV侧、35 kV侧分别故障，来评估电位从升压站的高压侧转移到机组处的情形。

2.1 GPR及故障电流分布

表2中列出了110 kV升压站的35 kV低压侧发生500 A单相接地故障时在7台机组处监测到的最大地电位升(GPR)和最大故障电流值，同理，表3中列出了110 kV侧发生10 kA单相接地故障时在各个机组处监测到的最大地电位升(GPR)和最大故障电流值。

表2 升压站低压侧接地时的监测数据Table 2 Monitoring data during grounding at low voltage side of booster station

表3 升压站高压侧接地时的监测数据Table 3 Monitoring data during grounding at high voltage side of booster station

2.2 安全参数阈值确定

通过脚接触电阻率、故障清除时间等因素的制约，IEEE Standard 80-2000中规定了接触电压和跨步电压的安全限值[27]，根据这一计算方法可以确定本模型中的接触电压与跨步电压安全限值，如表4中所示。

表4 工频故障时的安全限值Table 4 Safety limits in case of power frequency failure

2.3 安全性能分析

根据升压站的110 kV侧、35 kV侧分别发生工频接地故障时，所计算得到的不同机组位置处的GPR值，对机组附近人员存在威胁的接触电压和跨步电压进行分析，分别选取GPR最大值的机组进行分析，35 kV侧故障时7号机组处的GPR最大，选择7号机组进行安全性能分析。同理，110 kV侧故障时，选择1号机组进行安全性能分析。

对其中一处的安全性能分析进行详细解读，如图4中所示，绘制出了当升压站110 kV侧故障时1号机组处距离金属构件1 m之外的接触电压分布情况，需要说明的是，图4中网格状物体为机组附近的箱变接地网，可以观察到此时接触电压最大值为493.53 V，远高于表4中159.1 V的安全阈值。1号机组附近的跨步电压分布情况如图5中所示，跨步电压同样超出了259.6 V的阈值。在该种故障情况下，存在人身伤亡的风险。

图4 高压侧接地故障时机组附近的接触电压分布Fig.4 Contact voltage distribution near the unit in case of grounding fault at high voltage side

图5 高压侧接地故障时机组附近的跨步电压分布Fig.5 Step voltage distribution near the unit in case of grounding fault at high voltage side

同理，计算得到升压站35 kV工频故障时7号机组处的接触电压和跨步电压分别如图6、图7中所示，接触电压最大值为38.56 V，跨步电压最大值为7.72 V，均低于安全阈值，人身伤亡风险较低。

图6 低压侧接地故障时机组附近的接触电压分布Fig.6 Contact voltage distribution near the unit in case of low voltage side grounding fault

图7 低压侧接地故障时机组附近的跨步电压分布Fig.7 Step voltage distribution near the unit in case of low voltage side grounding fault

3.1 机组遭受雷击的模型

当风力发电机组的接地电阻值偏高时，雷击风力发电机组可能会产生较高的GPR，使附近工作人员所能接触范围内的接触电压、跨步电压值升高，进而对人身安全产生危害。除此之外，电力电缆及其护层保护器、箱变各相及二次系统对地之间也可能产生较高的电位差。

风电场的实测数据显示，在机舱、轮毂、塔架、叶片等机组部件中，雷闪最容易击中叶片的尖端，雷击造成单个叶片损坏的概率为96.6%，两个叶片损坏的概率为2.7%，三叶片均损坏的概率仅为0.7%[4,28]。可见雷电流击中叶片，经轮毂流入机舱、进而沿着塔筒流入接地装置，是大部分雷电流的散流路径。此外，有学者针对风力发电机组遭受直击雷的研究表明，考虑机组的地上结构(塔筒、基座等)时，雷击高频环境下的冲击接地电阻值要远大于工频电流泄漏时对应的工频接地电阻值，并且雷击时对应的GPR也要高于工频环境[10]。综上所述，雷击故障与第2节中研究的工频故障不同，有必要建立一个能将雷闪相关现象和路径纳入考虑范围的计算模型，如图8中所示为建立的机组地上结构及其接地网的计算模型，图8中也设置了工作人员在机组附近地面以及进入塔筒的扶梯上，用于计算雷击瞬间人体内部流过的暂态电流特性。

图8 整个风电机组的暂态计算模型Fig.8 Transient calculation model of the whole wind turbine

假设风电机组遭受到了标准冲击波形的雷电流侵入，雷电流沿着机组的一个叶片端部流入，并沿着轮毂和塔筒流向了接地网。雷击风电机组是一个暂态过程，下文中将对雷击风电机组的暂态特性进行分析。

3.2 安全参数阈值确定

GB/T 13870.2-2016中关于短时单向单脉冲电流对人体的放电效果做了较为详细的论述[29]，如图9中所示，电容器放电产生的短时单向单脉冲电流可能是一种危险源。当放电引起人体心室纤维性颤动时，会对人体生命安全造成威胁，心室纤维性颤动阈取决于脉冲电流的波形、持续时间和量值，脉冲开始时的心脏时相，电流在人体内的通路和个人的生理特点。使用的是比致颤能量Fe作为阈值进行判断。而雷电流便属于短时单向单脉冲电流，可以应用该种方案判断雷电流流过人体时的安全性能。

图9 单向脉冲电容放电的电流波形Fig.9 Current waveform of unidirectional pulse capacitor discharge

在图9中，IC(p)为电容器放电的峰值，ICrms为持续时间为3T的电容器放电电流的方均根值。设Ri为初始人体电阻，Ut为人体接触电压[30-31]，则IC(p)由下式确定：

(1)

对于时间常数为T的电容器放电，有下式成立：

(2)

式(2)中：

(3)

式(3)中，IL为左脚到右脚之间流过的电流峰值；
IC(p)为路径为左手到双脚的人体电流峰值；
F为心脏-电流系数，取值0.04。

对于接触电压安全阈值有如下限制条件成立：

对于跨步电压安全阈值有如下限制条件成立：

IEEE推荐的雷电流幅值累积概率分布公式如式(4)所示[32]：

(4)

式(4)中：I为雷电流幅值，kA；
P(>I)为雷电流幅值超过I的概率；
a、b为待定参数，IEEE推荐为a=31、b=2.6。分析式(4)可知，幅值在50 kA以上的雷电活动发生概率小于22%。诚然，雷电流幅值会高达数百千安，这样的极端雷电流幅值可能会对一次电气设备及二次保护等造成危害，但是文章主要对雷击机组时的人身安全性因素开展研究，并没有针对电力设备的安全性进行分析，所以选取幅值为50 kA幅值雷电流进行分析便具有代表意义。

3.3 安全性能分析

假设波形分别为2.6/50 μs、8/20 μs，幅值分别为50 kA的2种雷电流击中机组，计算可以得到流过接触金属扶梯人员的暂态电流如图10、图11中所示。

图10 流过人体的暂态电流IC(p)Fig.10 Transient current IC (P) flowing through human body during lightning stroke with different waveforms

图11 左脚到右脚之间流过的暂态电流ILFig.11 Transient current IL flowing from left foot to right foot

从图10、图11中可知：2.6/50 μs波形雷电流对应流过人体的电流最大值IC(p)为177.1 A，左脚到右脚之间流过的电流IL为23.8 A。同理可以得到8/20 μs波形雷电流雷击时的对应数值，详细参数如表5中所示。可见当50 kA不同波形的雷电流击中机组时，对应接触电压的IC(p)均能满足安全要求，而对应跨步电压的IL却均高于安全限值的要求，针对这一点提出如下两种解决方案：

1)在人员易工作和出现的区域铺设砾石等高电阻率铺层，用于提高安全阈值，铺层的厚度和电阻率均将影响到安全阈值的水平。

2)降低机组接地网的冲击接地电阻值，进而达到降低IL的效果。

表5 机组遭受雷击时的人身安全性判决数据统计Table 5 Statistics of personal safety judgment data when the unit is struck by lightning

在这里尝试将两台风电机组的接地网进行串联来进行降阻，机组接地网可以通过埋设在地下的金属导体(接地网互联导体)相互连接，若1号机组与2号机组的接地网互联，当2号机组发生故障时有故障电流流入接地网，那么接地网互联导体势必将参与故障电流的分配，然后1号机组的接地网也将参与到故障电流的散流任务中。所以在下文中将对两台接地网互联时的安全性能进行分析，对比单台机组接地网和两台机组接地网互联时的人身安全性因素。

图12 两台机组接地网互联后左脚到右脚之间流过的暂态电流ILFig.12 Transient current IL flowing from left foot to right foot after interconnection of grounding grids of two units

当雷电流幅值为50 kA时，如图12中所示绘制出了两台机组接地网互联后，流过人员身体电流IC(p)的时域变化，可见两台机组的接地网互联后会在很大程度上限值通过人体的电流峰值，2.6/50 μs波形雷电流对应流过人体的电流最大值IC(p)在互联前后降低了78.4%，8/20 μs波形雷电流对应流过人体的电流最大值IC(p)在互联前后降低了81.4%。相对应可以分析人员接触电压的安全性如表5中所示，可见机组互联后均能将比致颤能量Fe限制在安全范围以内。

较为系统对风电场遭受工频过电压侵入与雷击机组时的情况进行了计算，着重来分析和风电场接地系统有关的接触电压、跨步电压等人身安全性因素，分析表明：

1)在相同计算参数下，升压站的高压侧发生工频接地故障对人身的危害性要高于低压侧故障。针对这一问题可以通过在机组附近铺设一定厚度的高阻层，或者通过对升压站及机组的接地网进行降阻来提高安全性。

2)即使单台机组的接地网工频接地电阻值在1Ω～5Ω，当机组遭受雷击故障时，50 kA幅值的雷电流将会使机组附近的接触电压和跨步电压瞬间升高至威胁到人身安全的程度，尤其是接触电压将会使周围人员产生心室纤维性颤动。

3)针对雷击机组时的周围人员接触电压不满足安全性要求的情况，将两台机组的接地网进行互联可以在很大程度上限值流过人体的暂态电流。

4)由于风电机组地处环境各异，为了保证人身安全，在进行风电场接地系统设计时，应将人员安全性纳入考虑范围，结合机组位置处的土壤、地理环境合理确定接地方案。

本研究仅针对指定的风电场接地系统，对人身安全性因素进行了示范性分析，得出的结论并不能够完全适用于其余的风电场接地系统，但是对于具体的问题可以借鉴该思路和方法进行安全校验。未来工作中将会把极端雷电流幅值下的风电场电力设备安全性纳入研究范围。