風(fēng)電機(jī)組雷擊過電壓的仿真分析及防雷接地保護(hù)

趙 煒，周廣珉

（水電十四局大理聚能投資有限公司，云南 大理 671000）

風(fēng)能是一種清潔能源，開發(fā)利用風(fēng)能資源是調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)能源清潔可持續(xù)發(fā)展的重要手段。我國(guó)幅員遼闊，風(fēng)能資源豐富，風(fēng)電機(jī)組累積裝機(jī)容量位居世界首位。由于風(fēng)能資源主要存在于空曠地帶及高山等雷電危害較為集中的區(qū)域，風(fēng)電機(jī)組容易受到雷擊的危害，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行造成了嚴(yán)重威脅。

在風(fēng)電機(jī)組受到雷擊時(shí)，雷電流在雷擊點(diǎn)流向大地時(shí)會(huì)在機(jī)組線路中產(chǎn)生感應(yīng)過電流和過電壓，這會(huì)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備造成損壞。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在雷擊損害事故中，電子系統(tǒng)和控制系統(tǒng)損壞的比例高達(dá)50%以上[1]。肖翔等[2]對(duì)風(fēng)電機(jī)組雷擊過電壓進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，良好的接地可以明顯地改善風(fēng)電機(jī)組中的過電壓，但是不能改變機(jī)組中過電壓的最大值；楊文斌等[3]對(duì)風(fēng)電機(jī)組過電壓保護(hù)和防雷設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析研究，指出在風(fēng)電機(jī)組過電壓保護(hù)和防雷接地方面，應(yīng)主要考慮直擊雷、感應(yīng)雷、接地設(shè)計(jì)和機(jī)組配套升壓設(shè)備的保護(hù)，在風(fēng)電機(jī)組易受雷擊位置及容易遭受雷擊破壞的位置安裝避雷針和避雷器可以有效解決由雷擊造成的損失問題，同時(shí)安裝風(fēng)電機(jī)時(shí)應(yīng)做好接地工作，必須對(duì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)做好接地計(jì)算工作。

由于雷電強(qiáng)度的不同，風(fēng)電機(jī)組會(huì)產(chǎn)生不同程度的過電壓。為保證風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行，必須掌握系統(tǒng)內(nèi)過電壓隨雷電強(qiáng)度的變化規(guī)律，同時(shí)，云貴地區(qū)多為喀斯特地貌，這種特殊的地形特征會(huì)對(duì)雷電強(qiáng)度和雷擊造成不同的影響。因此，本文從喀斯特地貌出發(fā)，分析了喀斯特地貌的雷電分布特征，結(jié)合ATP-EMPT仿真軟件分析了不同雷擊強(qiáng)度的風(fēng)電機(jī)組過電壓，為喀斯特地貌的風(fēng)電機(jī)組的防雷保護(hù)和安全運(yùn)行提供了理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

1 喀斯特地貌的雷電活動(dòng)及防雷接地保護(hù)

1.1 喀斯特地貌的雷電分布特征

雷電是積雨云強(qiáng)烈發(fā)展時(shí)伴隨出現(xiàn)的大氣放電現(xiàn)象，各地發(fā)生雷電的頻率會(huì)因地形而異，同時(shí)雷電發(fā)生的路徑也會(huì)因地面的高低不平而表現(xiàn)出較大的差異。喀斯特地貌高低起伏，土壤的電氣特征變化較大等環(huán)境因素可導(dǎo)致區(qū)域大氣電場(chǎng)不穩(wěn)定，容易引發(fā)局部強(qiáng)對(duì)流天氣過程，高低不平的地勢(shì)分布極易產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象，造成區(qū)域內(nèi)落雷密度較高，從而增加風(fēng)電機(jī)組雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，在不同土壤電阻率交接區(qū)域，例如土壤和巖石交界處，容易發(fā)生雷擊風(fēng)險(xiǎn)[4]。

1.2 喀斯特地貌的防雷接地保護(hù)

影響接地網(wǎng)接地電阻的因素主要有兩個(gè)，一個(gè)是機(jī)組周圍的土壤電阻率，土壤電阻率越低，則接地電阻越小；另一個(gè)是接地網(wǎng)的規(guī)模，包括接地網(wǎng)橫向的占地面積和接地網(wǎng)縱向的跨越深度。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)防雷接地所采用的防護(hù)系統(tǒng)接地方式一般有兩種：一種是由水平接地體和垂直接地體組成接地體，另一種是采用環(huán)形接地帶。同時(shí)，也可以使用垂直接地體和水平接地體的結(jié)合形式?？紤]到喀斯特地貌地表巖石分布較多，土壤電阻率較高的問題，為達(dá)到較好的接地降阻效果，首先應(yīng)改變土壤的電阻率，采用添加降阻劑、局部換土、電解離子接地系統(tǒng)和接地模塊等方法減小土壤電阻率，同時(shí)結(jié)合擴(kuò)大接地網(wǎng)橫向占地面積和增加接地網(wǎng)縱向跨越深度的方法，以滿足接地電阻的要求。

2 風(fēng)電機(jī)組模型的建立

2.1 風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)模型

利用ATP-EMTP軟件建立的風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)初始模型如圖1所示。機(jī)組系統(tǒng)模型包括雷電流源、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、金屬氧化物避雷器、箱變、送電電纜等[5]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定電壓為690 V，額定功率為1.5 MWA，將其建模為恒定負(fù)載。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在塔的底部配備有1.5 MWA變壓器，將690 V發(fā)電機(jī)輸出電壓通過塔架底部的1.5 MWA變壓器升至24 kV，24 kV通過15 MVA、24/69 kV風(fēng)電場(chǎng)變電所升壓至69 kV。

本文由于模擬雷電電流對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的沖擊作用，所以在利用ATP-EMTP軟件進(jìn)行模擬時(shí)，采用瞬態(tài)過電壓分析。變壓器繞組之間的電容設(shè)為固定值，利用JMARTI模型將電纜建模為分布參數(shù)。根據(jù)雷電瞬態(tài)過電壓分析，變換矩陣以400 kHz的頻率進(jìn)行計(jì)算。

圖1 風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)初始模型

2.2 雷電電流模型

表1 雷電電流參數(shù)

雷擊過程可以用具有上升和衰減持續(xù)時(shí)間的雙指數(shù)波形來表示。有4個(gè)主要參數(shù)定義這一雷擊過程，分別是幅度I0，波前時(shí)間τ1，波尾時(shí)間τ2和極性（可以是正值，也可以是負(fù)值）。雷擊幅值和前沿持續(xù)時(shí)間對(duì)暫態(tài)過電壓現(xiàn)象影響最大，前持續(xù)時(shí)間越短，雷擊時(shí)電力系統(tǒng)上的過電壓越大；雷擊幅度和尾部持續(xù)時(shí)間決定了電力系統(tǒng)部件承受的熱損傷，以及由避雷器吸收的能量[6]。需要指出的是，雷電參數(shù)的分布是不均勻的，它們?nèi)Q于不同的氣候和地理因素。在本文中，IEC61400—24[7]推薦的雷電電流參數(shù)如表1所示，這些參數(shù)用于ATP-EMTP模擬。

雷電電流波形采用Heidler函數(shù)表示：

式（1）中：I0為峰值電流，kA；τ1和τ2分別為波頭時(shí)間常數(shù)和波尾時(shí)間常數(shù)，μs；n為電流陡度因子，一般情況下取n＝2或10.

3 計(jì)算結(jié)果與分析

模擬研究了不同雷電流幅值下不同接地電阻的線路內(nèi)感應(yīng)過電壓，模擬結(jié)果如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 雷電流幅值為120 kA時(shí)不同接地電阻下線路內(nèi)感應(yīng)過電壓波形圖

圖3 雷電流幅值為200 kA時(shí)不同接地電阻下線路內(nèi)感應(yīng)過電壓波形圖

圖4 雷電流幅值為280 kA時(shí)不同接地電阻下線路內(nèi)感應(yīng)過電壓波形圖

由圖可知，在相同雷電流幅值的條件下，線路內(nèi)過電壓的峰值隨著接地電阻的減小逐漸增加。當(dāng)雷電流幅值為120 KA、接地電阻為10 Ω時(shí)，線路內(nèi)過電壓峰值為1.3 MV；當(dāng)接地電阻為4 Ω時(shí)，線路內(nèi)過電壓明顯降低，為0.97 MV，下降幅值達(dá)到25.4%；當(dāng)接地電阻減小至2 Ω時(shí)，線路內(nèi)過電壓與接地電阻為4 Ω時(shí)相比下降不明顯。因此，在風(fēng)電機(jī)組防雷接地設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮各種因素，既要求滿足機(jī)組防雷要求，又要考慮施工難度和經(jīng)濟(jì)型問題。隨著雷電流幅值的增加，線路內(nèi)過電壓峰值也呈現(xiàn)出線性增加的變化趨勢(shì)，所以雷電流越高，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的損壞程度越大，并且在雷電流幅值為280 kA/接地電阻為2 Ω時(shí)，線路內(nèi)的過電壓仍舊為2.6 MV之高，因此，為了保證風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行，除了良好的接地之外，恰當(dāng)?shù)谋芾状胧┮脖夭豢缮佟?/p>

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明：隨著雷電流的增加，雷擊對(duì)風(fēng)電機(jī)組的損壞程度加大。在雷電流較小的條件下，風(fēng)電機(jī)組良好的接地可以有效地減小或避免雷擊對(duì)機(jī)組的損壞；在雷電流較大的條件下，良好的接地已經(jīng)不能起到保護(hù)機(jī)組的作用，恰當(dāng)?shù)谋芾状胧┍夭豢缮佟?/p>