張琳波，趙 明

（云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650011）

0 引言

2016年，全球風(fēng)電新增裝機容量54.6 GW，累計裝機容量達(dá)到486.7 GW[1]，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展也伴隨著日益嚴(yán)重的雷擊事故災(zāi)害[2-3]，做好風(fēng)電機組的防雷保護(hù)至關(guān)重要。

國內(nèi)外學(xué)者對風(fēng)電機組的雷擊暫態(tài)效應(yīng)進(jìn)行了許多研究，主要集中在風(fēng)機雷擊內(nèi)部暫態(tài)電磁干擾[4]、雷電過電壓對集電系統(tǒng)的破壞[5]、風(fēng)電機組的暫態(tài)地電位抬升[6-7]等。對于風(fēng)機雷擊暫態(tài)效應(yīng)研究，多針對單臺風(fēng)機，沒有考慮風(fēng)場接地系統(tǒng)互連情況，相關(guān)事故也表明，雷擊損害不僅發(fā)生在被雷電擊中的風(fēng)機上，也會發(fā)生在未被閃電擊中的風(fēng)機，這種現(xiàn)象稱作回流浪涌[8-9]。因此需要對接地系統(tǒng)互連風(fēng)場的雷電浪涌特性進(jìn)行分析。

本文利用PSCAD軟件[10]搭建簡化風(fēng)電場模型，包括風(fēng)機塔筒、接地系統(tǒng)、連接電纜模型。討論風(fēng)機塔筒高度對雷擊暫態(tài)電位的影響，分析接地系統(tǒng)互連情況下連接電纜敷設(shè)方式、雷擊點位置、土壤電阻率對浪涌傳播的影響，為風(fēng)電機組雷電浪涌過電壓防護(hù)提供參考。

1 風(fēng)電塔筒及接地系統(tǒng)模型

1.1 雷電流模型

雷電流波形采用雙指數(shù)函數(shù)[11]表示，表達(dá)式為

式中：Ip為電流幅值，kA；α1和α2分別為波頭時間常數(shù)和波尾時間常數(shù)；kc為幅值修正系數(shù)，kc=mm/（m-1）/（m-1），m=α2/α1。雷電流波形取 2.6/50 μs[12]，幅值取10 kA。

1.2 塔筒模型

為了考慮雷電流在塔筒傳播中波過程，將塔筒用波阻抗模型[13]表示。將塔筒等效成一個空心圓臺，見圖 1[14]。

圖1 塔筒等效模型Fig.1 Equivalent model of wind turbine tower

塔筒等效半徑：

式中：h為塔筒高度；req為塔體的等效半徑；r1、r2、r3分別為塔體頂部、中部、底部的半徑[14]。

塔筒波阻抗[13]：

根據(jù)電磁相似性原理，計算塔體對地分布電容[15]：

式中：h為塔筒高度；Z為塔筒波阻抗；c0為雷電波在塔筒中的傳播速度，取光速。仿真中，塔筒高度取80m，塔筒頂部及底部半徑分別取1.35m和2.17m。

1.3 接地系統(tǒng)模型

單臺風(fēng)機的接地電阻采用工頻電阻，具體阻值通過下式計算[16]：

式中：ρ為土壤電阻率；L為接地裝置總長度；H、D分別為接地裝置埋深和直徑；A為接地裝置形狀系數(shù)，對于鋼筋混凝土的環(huán)形接地裝置，A取1。仿真中，土壤電阻率取100 Ω·m，接地體埋深0.8 m，接地體半徑0.01 m。

仿真中分別考慮風(fēng)機接地系統(tǒng)獨立和接地系統(tǒng)互連兩種情況，具體見圖2。

圖2 風(fēng)機接地系統(tǒng)Fig.2 Grounding system of wind turbines

各臺風(fēng)機相距500 m，從左向右依次為1—5號風(fēng)機，采用銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜[17]相連，線纜參數(shù)見圖3。

圖3 連接電纜結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of interconnecting cable

2 仿真結(jié)果分析

2.1 風(fēng)機塔筒高度影響

圖4給出了風(fēng)機接地系統(tǒng)獨立時，風(fēng)機高度對塔底雷擊暫態(tài)電位的影響。

圖4 塔筒高度對塔底暫態(tài)電位影響Fig.4 Effect of height of the wind turbine tower on voltage of the grounding device

由圖4可看出，風(fēng)機塔筒高度越高，塔底雷擊暫態(tài)電位也越大，電壓波形振蕩也越明顯。當(dāng)雷電流沿著風(fēng)機塔筒向下傳播到達(dá)與接地裝置的交界點時，由于塔筒波阻抗與接地阻抗相差較大，在交界點上產(chǎn)生了折射、反射。一部分能量在接地裝置上形成折射電流波，向下傳播，另一部分能量被反射回來，沿著塔筒向上運動。經(jīng)過多次折反射后，接地裝置電流和電位可以通過下列公式估算[18]：

折射系數(shù)α：

反射系數(shù)β：

接地裝置電流：

塔底電位：

塔筒高度越高，波阻抗Zt越大，暫態(tài)過電壓幅值也隨之增加。同時，由于接地裝置阻抗一般遠(yuǎn)小于塔筒波阻抗，因此β＜0，暫態(tài)電壓波形會出現(xiàn)振蕩，塔筒越高，雷電流折反射次數(shù)k越多，波形振蕩越明顯。

2.2 連接電纜影響

雷擊1號風(fēng)機時，接地系統(tǒng)獨立與接地系統(tǒng)互連情況下塔底電位波形見圖5。連接電纜直接敷設(shè)在地表。

由圖5可看出，風(fēng)機接地系統(tǒng)互連情況下，塔底暫態(tài)電位得到一定程度降低，幅值降低約19%，且過電壓波形持續(xù)時間縮短。雖然通過接地系統(tǒng)互連能夠有效降低穩(wěn)態(tài)接地電阻，但是其對于降低暫態(tài)過電壓效果并不十分顯著。

圖5 接地系統(tǒng)獨立與互連情況下塔底暫態(tài)電位波形Fig.5 Transient potential waveform at the tower bottom under the condition of independent and interconnected grounding system

雷擊1號風(fēng)機時，接地系統(tǒng)互連情況下，連接電纜敷設(shè)方式對塔底暫態(tài)過電壓的影響見圖6。

圖6 接地線纜敷設(shè)方式對暫態(tài)電位影響Fig.6 Effect of laying mode of the grounding line on transient potential

對比圖6中不同波形可發(fā)現(xiàn)，連接電纜敷設(shè)方式對暫態(tài)過電壓幅值影響不大，埋地敷設(shè)時略有下降，但過電壓持續(xù)時間較為縮短。

2.3 雷擊位置影響

接地系統(tǒng)互連情況下，雷擊1號和3號風(fēng)機時塔底入地電流和暫態(tài)電位見圖7。連接電纜采用埋地敷設(shè)方式。

從圖7可看出，一臺風(fēng)機遭受雷擊后，雷電浪涌不僅會傳播至鄰近風(fēng)機，也會傳播至距離較遠(yuǎn)的風(fēng)機，但是電流和過電壓衰減較為明顯，距離雷擊點越遠(yuǎn)，塔底入地電流和暫態(tài)電位幅值越低。

2.4 土壤電阻率影響

接地系統(tǒng)互連情況下，土壤電阻率對塔底暫態(tài)電位的影響見圖8。雷擊1號風(fēng)機，連接電纜采用埋地敷設(shè)方式。

由圖8可看出，隨著土壤電阻率增大，1號風(fēng)機和2號風(fēng)機塔底電位相應(yīng)增加。高土壤電阻率導(dǎo)致過高的暫態(tài)電位，會使浪涌電流反向流至電網(wǎng)，升壓變壓器高壓側(cè)雷電絕緣水平一般在120 kV左右，因此回流浪涌變壓器等設(shè)備會產(chǎn)生一定危害，需要采取相應(yīng)防護(hù)措施，如安裝電涌保護(hù)器等。

圖7 不同風(fēng)機入地電流和暫態(tài)電位Fig.7 Grounding current and transient potential distribution of different wind turbine

圖8 土壤電阻率對暫態(tài)電位的影響Fig.8 Effect of soil resistivity on transient potential

3 結(jié)論

利用PSCAD軟件搭建立簡單風(fēng)電場模型，對接地系統(tǒng)互連情況下的雷電浪涌特性進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

1）風(fēng)機塔筒越高，雷擊塔筒時塔底暫態(tài)電位越大，波形振蕩越明顯。

2）接地系統(tǒng)互連能夠降低塔底暫態(tài)電位，但是效果并不顯著。連接電纜敷設(shè)方式對于降低暫態(tài)電位幅值幾乎沒有影響。

3）采用互連接地系統(tǒng)時，雷電浪涌會傳播至其他相連風(fēng)機。距離雷擊點越遠(yuǎn)的風(fēng)機，塔底入地電流和暫態(tài)電位幅值越低。

4）土壤電阻率增大，塔底雷擊暫態(tài)電位越大，過高的暫態(tài)過電壓會對變壓器等設(shè)備絕緣產(chǎn)生危害。

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