风电场接地系统接地电阻计算与测量的研究

摘要

风能作为清洁的可再生能源得到了广泛的应用，伴随着风电场的大规模建立，风电机组的安全运行问题不容忽视。风电场通常建立在风能丰富的山区，山区遭受雷击的概率较大，同时我国北方的风电场存在季节性冻土现象，冻土层的形成使风机位置的土壤电阻率变大，致使风机遭受短路故障时不能及时散流，容易形成反击过电压，危害风电机组的正常运行。因此良好的接地系统对于风电机组的正常运行至关重要。 本文应用复镜像法推导水平双层土壤结构下的格林函数表达式，基于电磁场理论建立风机接地网不等电位模型，编制考虑接地导体自阻互阻、自感互感的接地计算程序，结合算例验证接地计算模型及程序的正确性。运用编写的接地程序研究季节性因素对风机工频接地电阻的影响，选取模拟冻土层和湿土层形成后的12组土壤电阻率反射系数，改变受季节因素影响的土层厚度和土壤电阻率反射系数，计算接地电阻季节系数；研究考虑季节性冻土因素时，垂直接地极和接地网水平引外对接地电阻季节系数的改善作用。 建立考虑土壤火花放电效应的风机接地网冲击计算模型，结合相关算例验证模型的正确性。选取三种典型雷电流波形，研究雷电流波头时间与入地点、雷电流幅值、土壤击穿场强、土壤电阻率、接地导体材质等因素对风电机组接地系统雷电冲击特性的影响规律。 接地电阻的实地测量是验证接地设计正确与否的重要依据。根据接地电阻测量基本原理，推导均匀土壤结构中电压极布线轨迹，分析接地体相对尺寸和电压极位置对测量误差的影响；在水平双层土壤结构中研究不同土壤电阻率反射系数下直线法和夹角法电压极补偿点的轨迹；针对风机接地测量难以长距离布线的情形，以电压极处电位为目标函数，结合接地计算不等电位模型，研究短距离测量接地电阻方法，并结合算例进行验证。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 工频接地研究现状

1.2.2 冲击接地研究现状

1.3 本文主要工作

第2章 水平双层土壤下接地参数计算模型的建立

2.1 点匹配矩量法应用

2.2.1 经典镜像法

2.2.2 复镜像法

2.3.1 等电位模型的建立

2.3.2 不等电位模型的建立

2.4.1 接地导体内阻抗

2.4.2 接地导体互阻

2.4.3 接地导体外自感和互感

2.5 本章小结

第3章 风电场工频接地系统参数计算与设计

3.1 风电场布局设置

3.2 风机工频接地参数计算流程

3.3 算例验证

3.4 季节性因素对风机接地电阻影响的研究

3.4.1 土壤电阻率反射系数的选取

3.4.2 冻土层厚度与土壤电阻率反射系数

3.4.3 湿土层厚度与土壤电阻率反射系数

3.5 考虑季节性冻土因素的风机接地改善与设计

3.5.1 垂直接地极对季节系数的改善作用

3.5.2 接地网水平引外的降阻效果

3.6 本章小结

第4章 风电场接地系统雷电冲击特性的研究

4.1 接地网雷电冲击特性分析

4.2 雷电流傅里叶变换

4.3 考虑火花效应的地网半径求取

4.4 算例验证

4.5.1 雷电流波头时间与入地点

4.5.2 雷电流幅值

4.5.3 土壤击穿场强

4.5.4 土壤电阻率

4.5.5 接地网材质

4.6 本章小结

第5章 接地网接地电阻测量方法的研究

5.1 接地网接地电阻测量原理

5.2 测量电极位置布置的研究

5.2.1 直线法与夹角法测量电极位置的确定

5.2.2 均匀土壤中电压极理想布线轨迹

5.3.1 接地体相对尺寸的影响

5.3.2 电压极位置的影响

5.4.1 补偿点求取方法的研究

5.4.2 直线法与夹角法补偿点轨迹

5.5 短距离测量风机接地电阻的研究

5.5.1 目标函数的确定

5.5.2 测量补偿点求解流程图

5.5.3 算例计算与分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果及发表的学术论文

声明

致谢