謝 輝， 陳 眾， 古純松， 馬希永， 劉博特

(長沙理工大學(xué) 智能電網(wǎng)運行與控制重點實驗室，長沙410004)

0 引言

隨著全球化石能源日益減少，各國正加大力度發(fā)展清潔能源，近年來風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮艿惹鍧嵞茉丛诟鱾€國家的大力扶持下迅猛發(fā)展[1]。雖然水電和火電仍然是主要的發(fā)電方式，但風(fēng)電已嶄露頭角，據(jù)估計，全球風(fēng)能市場未來十年的新增裝機容量將高達(dá)720 000 MW，中國未來十年新增裝機總量將達(dá)到249 500 MW，占全球新增市場的36%，依然是世界上最大的風(fēng)能市場。習(xí)總書記在氣候雄心峰會上指出：到2030年，中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達(dá)到12億千瓦以上[2]。政府部門正持續(xù)加大可再生能源發(fā)展的政策扶持力度，清潔能源迎來了前所未有的機遇?；谶@種背景，風(fēng)電將保持穩(wěn)定的增長[2-3]。

雖然近年海上風(fēng)電場數(shù)量不斷增加，但我國大多數(shù)風(fēng)電場仍為陸上風(fēng)電場，陸上風(fēng)電場一般建立在高山、曠野等疾風(fēng)區(qū)，這種地區(qū)落雷密度高，其遭受雷擊的風(fēng)險大。文獻(xiàn)[4]建立了風(fēng)電機組模型，計算了風(fēng)機塔筒與塔筒內(nèi)電纜耦合模型，并計算了塔筒內(nèi)電纜過電壓大小。文獻(xiàn)[5]中提出了塔筒-傳輸線模型，并采用電磁暫態(tài)仿真軟件EMTP計算了考慮電纜屏蔽層和不考慮屏蔽層兩種情況的傳輸線雷電過電壓分布[4]。文獻(xiàn)[6]對趙海翔提出的風(fēng)機塔筒模型進(jìn)行了改進(jìn)，首次考慮強電磁場中的輻射、耦合及感應(yīng)作用，計算了接地電阻大小、雷電流參數(shù)、塔筒高度等因素對屏蔽層-纜心電壓差和塔基電位的影響[5]。前人在研究風(fēng)電場防雷時大多分析雷電流從風(fēng)機葉片侵入的情況，少有人分析雷電流從集電線路侵入時對風(fēng)電場的影響。CIGRE TB 549[7]指出80%的地面落雷為多重雷擊，多重雷擊一般不會擊于同一點，雷擊位置通常呈線性或片性分布。近年來風(fēng)電場規(guī)模越來越大，風(fēng)電場遭受多重雷擊的概率也越來越高，研究多重雷沿集電線路侵入時風(fēng)電場關(guān)鍵設(shè)備暫態(tài)特性具有一定的工程實際意義。

本研究利用電磁暫態(tài)仿真軟件 ATP-EMTP搭建了包含風(fēng)力發(fā)電機、箱式變壓器、集電系統(tǒng)的風(fēng)電場模型[8]，計算并分析了集電線路遭受首次雷擊和二次雷擊時塔筒內(nèi)信號電纜、箱式變壓器兩側(cè)的暫態(tài)電位波形，同時考慮了感應(yīng)雷的影響。

1 理論分析

1.1 雷擊集電線路損害機理

如圖1所示為風(fēng)力機組剖面圖，風(fēng)力發(fā)電機出口電壓為690 V，經(jīng)過箱式變壓器(后文簡稱“箱變”)升高至35 kV[9-10]，再通過架空集電線路匯集至35 kV母線上。

圖1 風(fēng)電機組剖面圖Fig.1 Sectionalview of wind turbine

運行經(jīng)驗表明，雷擊風(fēng)電場一般分為雷擊風(fēng)力發(fā)電機葉片和雷擊集電線路兩種情況。雷擊風(fēng)機葉片的情況已有大量文獻(xiàn)進(jìn)行研究，文章將不贅述。當(dāng)雷擊集電線路時，雷電流會通過集電線路流入箱變，再流入塔筒內(nèi)電力電纜，同時塔筒及信號電纜都會感應(yīng)出過電壓，而雷電流經(jīng)過桿塔接地裝置泄入大地的過程，還可能引起反擊事故。

1.2 多重雷擊機理

實際上自然界的雷云對地放電存在多個落地點，一般有兩種表現(xiàn)形式：1)一條雷電通道分叉對地放電；2)多條雷電通道對地放電。國際大電網(wǎng)會議總結(jié)了全球多個觀測點的雷云對地放電數(shù)據(jù)，表1為全球多個觀察點負(fù)極性地閃雷擊次數(shù)統(tǒng)計，由表1可以看出，除新墨西哥州統(tǒng)計的單次雷擊占比為13%外，其他觀測點統(tǒng)計的單次雷擊都在20%左右，即80%左右的地面落雷為多重雷擊。從中國甘肅的觀測點所統(tǒng)計的83次負(fù)極性雷觀測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，單次雷擊百分比為40%[11]，此數(shù)據(jù)與國外觀測點的統(tǒng)計數(shù)據(jù)有較大出入，但是不可否認(rèn)，大部分負(fù)極性雷包含多重雷擊。稱多重雷擊的第一次雷擊為首次雷擊，第二次及以上的雷擊為后續(xù)雷擊， Thottappillil通過對佛羅里達(dá)州22個雷電定位發(fā)現(xiàn)，多重雷擊的多通道接地點在0.3～7.3 km，幾何平均數(shù)為1.7 km[12]。

表1 負(fù)極性地閃數(shù)據(jù)Table 1 Negative CG lightning data

1.3 雷電流參數(shù)

雷電參數(shù)包括雷電流幅值、最大電流陡度、平均電流上升率、波前時間、波長時間、轉(zhuǎn)移電荷、比能量等。Berger總結(jié)了101個下行負(fù)極性雷的雷電參數(shù)[13]，包含雷電流峰值、波頭時間和半波時間等參數(shù)值數(shù)據(jù)，如表2所示為負(fù)極性雷的電流參數(shù)，基于對不同情況統(tǒng)計的對數(shù)分布近似， 表中給出了超過不同列表值的比例(95%、50%、5%)，從表中可以看出，負(fù)極性雷中的首次雷擊峰值電流中位數(shù)為30 kA，后續(xù)雷擊峰值約為首次雷擊的三分之一，但是后續(xù)雷擊的波頭時間比首次雷擊小[14]。

表2 負(fù)極性雷的電流參數(shù)Table 2 Current parameters of negative lightning

通常將雷電放電通道放電電流的末尾和下一次電流放電開始之間的時間稱之為擊間間隔，Rakov和Uman在佛羅里達(dá)和新墨西哥州對負(fù)極性雷觀測中發(fā)現(xiàn)，多條通道造成的多重雷擊之間的平均間隔時間為幾十毫秒至幾百毫秒，由一條雷電通道分叉形成多重雷擊之間的間隔時間僅1 ms，甚至更短。大多數(shù)多重雷擊由多條通道引起，多重雷擊過程中，首次雷擊與后續(xù)雷擊的擊間間隔幾何平均數(shù)為60 ms，中國甘肅的觀測點所統(tǒng)計的50次負(fù)極性雷中擊間間隔幾何平均數(shù)為47 ms[15]。

2 仿真參數(shù)及模型

2.2 雷電流計算模型

1)直擊雷模型

在ATP-EMTP仿真計算中通常用彼得遜法則簡化雷電模型，本研究采用Heidler 模塊建立雷電流模型與波阻抗并聯(lián)來等效雷電通道。得到如圖2所示的雷電流等值電路圖，分析繞擊時，通常將雷電流波阻抗設(shè)為300 Ω。

圖2 雷電流等值電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of lightning current

雷電流源一般用包含雷電流幅值、波前時間、波長時間的波形表示。本研究采用國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61312-1所規(guī)定的雷電流參數(shù)[16-17]，首次雷擊參數(shù)取波前時間、波長時間為10/350 μs,后續(xù)雷擊參數(shù)取波前時間、波長時間為0.25/100 μs。由于后續(xù)雷擊時雷電流幅值相對于首次雷擊低，本研究按Berger推薦的首次雷擊和后續(xù)雷擊雷電流幅值100 kA、25 kA進(jìn)行計算[18-19]。雷電流采用雙指數(shù)函數(shù)表示，其時域表達(dá)式如式(1)所示。

I(t)=KIm(e-αt-e-βt)

(1)

其中K為雷電流幅值修正系數(shù)，Im為雷電流峰值，α和β分別為波前衰減系數(shù)和波尾衰減系數(shù)(一般α≥β)。

表3 雷電流參數(shù)Table 3 Lightning current parameters

因為第三次及以上的雷擊規(guī)律與首次雷擊和二次雷擊相似，文章僅對比分析首次雷擊和第二次雷擊(后文稱之為“后續(xù)雷擊”)，圖3所示為雷電流仿真模型，在EMTP軟件中仿真計算首次雷擊與后續(xù)雷擊的雷電流可得波形如圖4和圖5所示，從波形圖明顯可以看出后續(xù)雷擊的雷電流波頭時間更短、波前陡度更大[18]。

圖3 雷電流仿真模型Fig.3 Lightning current simulation model

圖4 首次雷擊的雷電流波形Fig.4 The lightning current waveform of the first lightning strike

圖5 后續(xù)雷擊雷電流波形圖Fig.5 Follow-up lightning current waveform diagram

2)感應(yīng)雷模型

感應(yīng)雷過電壓主要以靜電感應(yīng)分量為主，如圖6所示為感應(yīng)雷過電壓示意圖，Ui的極性與雷電流極性相反[19]。

圖6 感應(yīng)雷過電壓示意圖Fig.6 Schematic diagram of induced lightning overvoltage

工程實用計算按DL/T 620-1997，設(shè)落雷點與集電線路的垂直距離為S(單位為m)，導(dǎo)線對地高度為hc(單位為m)，當(dāng)S大于65 m時，無避雷線的配電線路上產(chǎn)生的感應(yīng)雷過電壓幅值為式(2)所示[17]。

(2)

式中Ui為感應(yīng)過電壓幅值，單位為kV；I為雷電流幅值，單位為kA。

若配電線路上架設(shè)有避雷線，當(dāng)雷擊中配電線路附近大地時，由于避雷線的屏蔽作用，導(dǎo)線上的感應(yīng)電荷將會減少，相應(yīng)的感應(yīng)雷過電壓隨之降低，避雷線不接地時有：

(3)

(4)

式中hg和hc分別為避雷線和導(dǎo)線對地垂直高度(單位為m)；Uig和Uic分別為雷擊導(dǎo)線附近時避雷線和導(dǎo)線上的感應(yīng)雷過電壓。

而實際上避雷線通常在每基桿塔處均接地，相當(dāng)于避雷線上存在-Uig用以保持避雷線的零電位，避雷線與導(dǎo)線之間的耦合作用將在導(dǎo)線上產(chǎn)生-k0Uig的耦合電壓(k0為導(dǎo)線與避雷線之間的耦合系數(shù))，則導(dǎo)線上的感應(yīng)雷過電壓可用式(5)表示[20]：

(5)

式中k0為避雷線與導(dǎo)線之間的幾何耦合系數(shù)，hg為避雷線對地高度(單位為m)

在EMTP軟件的自定義模塊中通過編程建立感應(yīng)雷模型，圖7所示為感應(yīng)雷的雷電流仿真模型。

圖7 感應(yīng)雷的雷電流仿真模型Fig.7 Lightning current simulation model of induced lightning

2.3 風(fēng)電場設(shè)備參數(shù)及模型

2.3.1 風(fēng)力發(fā)電機

本研究以我國某內(nèi)陸風(fēng)電場為研究對象，建設(shè)安裝的機組為丹麥公司生產(chǎn)的M1500-600/150kW型風(fēng)力發(fā)電機組。該風(fēng)力發(fā)電機輪轂高度46 m，塔頂外部截面直徑2.273 6 m，塔筒底部外截面半徑2.32 m，正常工作溫度范圍為20～35 ℃。風(fēng)機葉片長度21.5 m。其他技術(shù)參數(shù)見表4。信號電纜使用RG58A/U同軸電纜，從內(nèi)到外分別為電纜芯線、絕緣層、網(wǎng)狀屏蔽層和護(hù)套。纜芯20 ℃時直流電阻最大值為37.39 Ω/km，屏蔽層的直流電阻為212 Ω/km[7,20]。塔筒及信號電纜仿真模型參照文獻(xiàn)[7]搭建，如圖8所示為風(fēng)力發(fā)電機塔筒仿真模型，為簡化仿真界面，將其壓縮簡化[21-22]。

表4 WD70/1500 kW風(fēng)力發(fā)電機組主要技術(shù)參數(shù)Table 4 Main technical parameters of WD70/1500 kW wind turbine

圖8 風(fēng)力發(fā)電機仿真模型Fig.8 Wind turbine simulation model

2.3.2 箱變及避雷器

仿真采用ZGSB11-1600/0.69/的箱變參數(shù)，箱式變壓器低壓側(cè)安裝型號為YH1.5W-0.8/2.3的避雷器，高壓側(cè)安裝HY5W-51/134型號的避雷器[23-26]，兩種型號的避雷器技術(shù)參數(shù)如表5所示。

表5 避雷器技術(shù)參數(shù)Table 5 Technicalparameters of lightning arrester

2.3.3 集電線路

集電線路模型包含線路、桿塔、絕緣子等，架空線路采用ATP/EMTP中的LCC模塊，因為雷電流具有高頻特性[28]，線路參數(shù)隨頻率變化對電磁暫態(tài)過程的影響不可忽視，所以仿真中采用JMART模型，在LCC中，設(shè)置土壤電阻率為2 000 Ω·m，線路長度200 m，其它參數(shù)見表6。采用XWP-70型絕緣子雷電沖擊50%放電電壓試驗數(shù)據(jù)，4片絕緣子的伏秒特性關(guān)系見表7，處理后的伏秒特性回歸方程如式6[28]。將架空線路、絕緣子、桿塔組合可得集電線路EMTP仿真模型，如圖9所示。

(6)

表6 LCC參數(shù)Table 6 LCC parameters

表7 4片XWP-70絕緣子的伏秒特性參數(shù)Table 7 Volt-second characteristic parameters of 4 XWP-70 insulators

圖9 風(fēng)力機組等效模型Fig.9 Wind turbine equivalent model

3 仿真結(jié)果分析

架空集電線路遭受雷擊分為直擊雷和感應(yīng)雷，直擊雷主要有3種情況：1)雷擊導(dǎo)線；2)雷擊避雷線檔距中央；3)雷擊桿塔塔頂。一般雷繞擊導(dǎo)線對風(fēng)電場破壞最大，所以文章在分析直擊雷時僅分析雷擊導(dǎo)線的情況。分析集電線路受感應(yīng)雷影響時設(shè)置雷擊點與導(dǎo)線水平距離為65 m[29]。大多數(shù)多重雷擊由多條雷電通道引起，多條通道造成的多重雷擊之間的平均擊間間隔為幾十毫秒至幾百毫秒，而雷擊產(chǎn)生的過電壓降低至0的時間遠(yuǎn)低于多重雷擊的擊間間隔時間，所以本研究計算多重雷擊時單獨計算首次雷擊過電壓和后續(xù)雷擊過電壓。

3.1 直擊雷過電壓

計算雷直擊架空集電線路B相導(dǎo)線，因為箱變高、低壓側(cè)A、C相過電壓均比B相低，故僅給出B相設(shè)備過電壓波形。

如圖10(a)所示為集電線路遭受直擊雷時箱變高壓側(cè)暫態(tài)過電壓波形圖。由圖可知，雷擊風(fēng)電場架空集電線路時，首次雷直擊集電線路時箱變高壓側(cè)過電壓峰值為467.54 kV，后續(xù)雷直擊線路時過電壓峰值為349.75 kV，首次雷擊線路時箱變高壓側(cè)電壓比后續(xù)雷擊時高33.68%；但后續(xù)雷擊時箱變高壓側(cè)電壓波形的高頻特性更加明顯；且升至峰值的時間遠(yuǎn)低于首次雷擊(首次雷擊時為10.1 μs，后續(xù)雷擊時為0.4 μs)。如圖10(b)所示為集電線路遭受直擊雷時箱變低壓側(cè)暫態(tài)過電壓波形圖。由圖可知，首次、后續(xù)雷擊集電線路時箱變低壓側(cè)過電壓峰值分別為26.74 kV、12.96 kV，首次雷擊時箱變低壓側(cè)過電壓峰值比后續(xù)雷擊時高106.33%；兩種雷擊方式下箱變低壓側(cè)過電壓均表現(xiàn)出高頻特性；后續(xù)雷擊時過電壓升至峰值的時間低于首次雷擊(首次雷擊時為1.7 μs，后續(xù)雷擊時為0.6 μs)。

如圖10(c)所示為集電線路遭受直擊雷時信號電纜暫態(tài)過電壓波形圖。由圖可知，首次、后續(xù)雷擊集電線路時信號電纜過電壓峰值分別為145.61 V、162.47 V，后續(xù)雷擊時信號電纜過電壓峰值比首次雷擊時高11.58%；兩種雷擊方式下信號電纜過電壓均表現(xiàn)出很強的高頻特性，后續(xù)雷擊時過電壓升至峰值的時間低于首次雷擊(首次雷擊時為6.4 μs，后續(xù)雷擊時為3.3 μs)。

綜上所述，對于風(fēng)電場集電線路遭受直擊雷的情況，首次雷擊方式下箱變兩側(cè)過電壓峰值均比后續(xù)雷擊時高，但信號電纜過電壓在后續(xù)雷擊時更高；后續(xù)雷擊時箱變兩側(cè)及信號電纜過電壓升至峰值的時間均比首次雷擊時短。

3.2 感應(yīng)雷過電壓

計算感應(yīng)雷過電壓時，設(shè)置雷擊點與導(dǎo)線水平距離為65 m，實際上箱變高、低壓側(cè)三相過電壓變化規(guī)律相似，且數(shù)值基本相同，為分析方便，分析箱變高、低壓側(cè)過電壓時僅給出一相過電壓波形。

如圖11(a)所示為雷擊集電線路附近大地時，箱變高壓側(cè)過電壓波形圖，可以發(fā)現(xiàn)，首次雷擊集電線路附近時，箱變高壓側(cè)過電壓峰值為248.71 kV，后續(xù)雷擊集電線路附近大地時此數(shù)值為98.36 kV，首次雷擊時過電壓比后續(xù)雷擊時高152.86%，且首次雷擊產(chǎn)生的過電壓持續(xù)時間比后續(xù)雷擊長，但后續(xù)雷擊時過電壓升至峰值的時間比首次雷擊時短。如圖11(b)所示為雷擊集電線路附近大地時，箱變低壓側(cè)過電壓波形圖，首次、后續(xù)雷擊時箱變低壓側(cè)過電壓分別為5.47 kV、2.84 kV，首次雷擊過電壓比后續(xù)雷擊時高92.61%，后續(xù)雷擊時過電壓升至峰值的時間比首次雷擊時短。比較圖11(a)、(b)兩圖可發(fā)現(xiàn)，雷擊集電線路附近大地時，箱變高壓側(cè)過電壓波形與低壓側(cè)過電壓變化規(guī)律相似，但箱變低壓側(cè)過電壓波形高頻特性更加明顯，且過電壓最大值都出現(xiàn)在駝峰之前。

圖11(c)所示為雷擊集電線路附近大地時，信號電纜過電壓波形。由圖可知，首次雷擊和后續(xù)雷擊時信號電纜過電壓峰值分別為43.64 V、18.19 V，后續(xù)雷擊時信號電纜過電壓峰值比首次雷擊時高139.91%；兩種雷擊方式下信號電纜過電壓均表現(xiàn)出很強的高頻特性，后續(xù)雷擊時過電壓升至峰值的時間低于首次雷擊，過電壓持續(xù)時間均較短，約0.2 ms即降低至0。

綜上所述，與直擊雷變化規(guī)律相似，首次雷擊集電線路附近大地時，箱變兩側(cè)過電壓峰值均比后續(xù)雷擊時高，但信號電纜過電壓在后續(xù)雷擊時更高；后續(xù)雷擊時信號電纜過電壓升至峰值的時間低于首次雷擊。

4 結(jié)論

1)對于雷直擊風(fēng)電場架空集電線路，首次雷直擊集電線路時箱變高壓側(cè)過電壓峰值比后續(xù)雷擊時高三分之一，箱變低壓側(cè)過電壓峰值約為后續(xù)雷擊時的兩倍；兩種雷擊方式下箱變低壓側(cè)過電壓均表現(xiàn)出高頻特性；后續(xù)雷擊時信號電纜過電壓峰值比首次雷擊時高約十分之一；兩種雷擊方式下信號電纜過電壓均表現(xiàn)出很強的高頻特性，后續(xù)雷擊時過電壓升至峰值的時間低于首次雷擊。

2)對于集電線路水平距離為65 m處大地遭受雷擊的情況，首次雷擊時箱變高壓側(cè)過電壓約為后續(xù)雷擊時的2.5倍，箱變低壓側(cè)過電壓約為后續(xù)雷擊時的2倍，過電壓最大值均出現(xiàn)在駝峰之前。后續(xù)雷擊時信號電纜過電壓峰值約為首次雷擊時的2.4倍；兩種雷擊方式下信號電纜過電壓均表現(xiàn)出很強的高頻特性，后續(xù)雷擊時過電壓升至峰值的時間低于首次雷擊。

3)無論是感應(yīng)雷還是直擊雷，對于箱變而言，首次雷擊在其兩側(cè)產(chǎn)生的過電壓更高，危害比后續(xù)雷擊時嚴(yán)重，但在工程實際中還應(yīng)考慮后續(xù)雷擊高頻特性的影響。對于信號電纜，從過電壓峰值、過電壓升至峰值的時間任一方面考慮，后續(xù)雷擊破壞性都更強，所以在信號電纜防雷設(shè)計時應(yīng)重點關(guān)注后續(xù)雷的影響。