風電場中直擊雷的防護和研究

王俏俏，林 琳，劉紅霞，馬 強，林祺蔚，李慧聰

（1.國網(wǎng)濟南供電公司，山東濟南250012；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東濟南250012）

風電場中直擊雷的防護和研究

王俏俏1，林 琳1，劉紅霞1，馬 強2，林祺蔚1，李慧聰2

（1.國網(wǎng)濟南供電公司，山東濟南250012；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東濟南250012）

風力發(fā)電場中輸電線路是防雷保護的重要部分，當直擊雷擊在輸電線路上時，不僅會對線路本身帶來破壞，其產(chǎn)生的侵入波過電壓將順著線路傳遞至風電機組，可能會引起變壓器的損壞，從而導致風電機組的停運。以某風力發(fā)電場雷擊事故為例，將通過電磁暫態(tài)軟件程序ATP/EMTP建立雷電直擊輸電線路的模型（雷電流模型、桿塔模型、輸電線路電纜模型、避雷器模型、絕緣子串模型和變壓器模型），通過仿真計算出升壓變壓器上的暫態(tài)過電壓和流過電纜的最大雷電流，并仿真了在安裝線路避雷器和降低接地電阻時，雷擊點處的雷電過電壓和過電流值。最后通過綜合對比提出了在1號、2號桿塔安裝避雷器和降低桿塔接地網(wǎng)電阻值的兩種保護措施來對風電場場內(nèi)輸電線路進行有效防雷。

風電場；場內(nèi)輸電線路；過電壓；ATP/EMTP

0 引言

隨著近十年全球溫室氣體排放以幾何倍數(shù)增加，進而導致全球氣候變暖、海平面上升等問題日益嚴重。因此，以風力發(fā)電為代表的清潔能源技術的快速發(fā)展成為目前世界能源構架的至關重要的一部分。據(jù)聯(lián)合國能源組織報告，全世界風力發(fā)電的總裝機容量已達300 GW[1]，目前，我國已超越美國成為全球風力發(fā)電裝機容量最大的國家，總裝機容量為114 609 MW，占全球風電裝機容量的31%。在影響風電機組安全、穩(wěn)定、可靠運行的各因素中，直擊雷的威脅是其中較為重要的因素。我國的風力發(fā)電場大都建設在雷電活動較為頻繁的高海拔山區(qū)或平原曠野地區(qū)，并且隨著風電場裝機容量的不斷加大，發(fā)電場中的線路也相應增加，致使線路遭受雷擊的概率也就增加。一旦遭受直擊雷，加之線路沒有合適的防雷措施，雷電流就將造成絕緣子串和線路的損壞，進而線路發(fā)生跳閘事故。當雷電落在風電場中的電力桿塔上，雷電進行波就順著電力線路流入風電機組，進而威脅到風力發(fā)電機組中高壓設備及其附屬設施的安全、穩(wěn)定、可靠運行。因此，風電場內(nèi)輸電線路的防雷保護研究對于其穩(wěn)定可靠發(fā)、輸電具有至關重要的意義。

筆者以某風電場為試驗研究對象，對該風電場中的線路進行防雷措施研究。將利用ATP/EMTP時變電磁場暫態(tài)軟件對場內(nèi)的升壓變壓器的侵入波過電壓進行計算[2-3]。最后通過改變線路桿塔接地網(wǎng)電阻和線路桿塔加裝線路避雷器，提出了風力發(fā)電場中電力線路的雷擊模型以及防雷改進措施，從而實現(xiàn)風力發(fā)電的安全可靠運行。

1 風力發(fā)電場模型

筆者利用ATP—EMTP軟件建立等值電路模型，該軟件程序是由美國Dommel教授設計并開發(fā)的，起初是被應用于電力系統(tǒng)的暫態(tài)仿真。通過不斷的改進，ATP/EMTP已是電磁場暫態(tài)計算分析中常用的軟件，被廣泛應用于雷電流的暫態(tài)過程分析，該軟件具有計算結果精確度高，可供選擇模型較多，適用廣泛等優(yōu)點。

1.1 雷電流模型

直擊雷雷電流計算模型有Heidler型與雙指數(shù)型[4]。由于筆者所研究的風電場處于山區(qū)，因此將采用適用于復雜地形的Heidler模型[5]，雷電流波形采用IEC風電機組雷電防護標準，波形取2.6/50μs，雷電通道波阻抗為300Ω，其模擬表達式為

式中：I0為雷電流峰值；τ1為波前時間；τ2為波長時間；n為電流陡度因子。

1.2 輸電桿塔的模型

對于高壓輸電線路的防雷研究，線路塔基的雷電流響應的波阻抗即雷電擊中塔基時，頂部的電位與流過塔基的雷電流比值，對雷電流進行波的參數(shù)計算有直接影響。同樣，桿塔模型對計算直擊雷的耐雷水平也同樣重要，由于雷電波在桿塔中的傳播時間對于距離地面不同高度的輸電桿的波阻抗是不同的（波阻抗的值沿桿塔是變化的），存在較大的衰減。因此本文將采用多波阻抗的桿塔模型更為合理，文獻[5]中提出的多波阻抗模型來對線路桿塔進行等效，由此得到的塔頂電位隨時間變化的函數(shù)，其各部分波阻抗計算公式如下：

式中，rAi為橫擔等效半徑，可取與桿塔連接處橫擔寬度的1/4。

1.3 線路及電纜模型

ATP/EMTP中元件庫有較多適用于各種環(huán)境的輸電線路計算模型，當中有J.Marti、Semlyen與Noda模型的計算參數(shù)設置可根據(jù)雷電流的頻率更改。通常雷電流中含有各種頻率的波，為了計算更為精確，獲取和實際雷電暫態(tài)波形更適合的雷電參數(shù)值，本文所搭建的線路雷擊計算模型要與雷電流頻率相關[6]。因此，采用J.Marti模型。除此之外，雷電流具有很強的隨機性，直擊雷的計算也都是基于一定的假設。高壓輸電線路上的直擊雷大多數(shù)情況下都是雷電擊中單相導線，其它幾相上的感應電壓較其低很多，所以只要分析受到雷擊的那一相即可。

1.4 絕緣子串模型

某風電場，其輸電線路中使用的懸垂絕緣子串和耐張絕緣子皆屬于防污型，并以單串和雙串兩種形式進行連接，其具體型號為XWP-7。其中，懸垂絕緣子串采用了4片絕緣子，耐張型則是5片。為了能在仿真過程中準確判斷絕緣子發(fā)生閃絡與否，采用相交法進行判斷[7-10]，如圖1所示，2條曲線相交的t時刻點就是發(fā)生閃絡的時間點。

圖1 相交法判斷絕緣子串閃絡Fig.1 Judgment of flashover of insulator string by intersection method

筆者采用MODELS語言編制來實現(xiàn)相交法的絕緣子串閃絡判據(jù)。ATP/EMTP中的MODELS程序是一種仿真工具描述語言，是針對時變雷電系統(tǒng)研究的專業(yè)程序。該語言為模型的搭建提供了元件基本功能和講述模型結構的格式。

1.5 避雷器模型

正由于ZnO避雷器在其伏安特性較好，在避雷器的模型選擇中通常選取ZnO避雷器。如圖2所示，為其伏安特性曲線，一般情況下，ZnO避雷器可看作開路狀態(tài)；當出現(xiàn)雷電流時，ZnO避雷器可看作短路。所以，在模擬中將用ATP/EMTP中的非線性電阻來模擬ZnO避雷器

圖2 避雷器伏安特性曲線Fig.2 The volt-ampere characteristics of surge arrester

1.6 風電場中的變壓器模型

通常對雷電侵入波與風電場中高壓設備的絕緣研究，需要測量升壓變壓器高壓側(cè)的過電壓值，該計算法只計算雷電波的起始兩端，可忽略過電壓在波行進過程中的能量損耗，如此就能采取入口電容元件來模擬該風電場的升壓變壓器。

2 風電場輸電線路雷擊仿真分析

2.1 直擊雷仿真

強雷雨，1號風電機組（正在運行）與5號機組（調(diào)試試運行）受雷電波入侵影響，發(fā)生了機組脫網(wǎng)跳閘，同時1號機組的第12號風機電源因雷電造成了損壞。雷雨后發(fā)現(xiàn)：5號變壓器的低壓、高壓側(cè)絕緣子有閃絡痕跡，并且開關柜內(nèi)的低壓電纜、母線及高壓側(cè)的接頭處都有放電。如圖3所示為12號風機以及與其相連的4級桿塔。

圖3 12號風電機組及其輸電線路Fig.3 No.12 wind turbines and transmission lines

圖3中，0號桿塔為終端水泥桿塔，1號、2號和3號桿塔為鐵塔。檔距如圖所示。

2.2 事故仿真分析

針對該風電場特殊的山地環(huán)境，在仿真模擬參數(shù)設置時，對桿塔的接地電阻設為Rg=15Ω，并在線路的末端（0號塔）裝設ZnO避雷器，其余參數(shù)都按照現(xiàn)場實際情況進行設置。再用ATPdraw仿真模擬出雷電直擊在場中線路的模型，得到此輸電線路的耐雷水平為35.2 kA，結果和該風電場的耐雷情況相同。因此，通過該直擊雷電模型所進行的計算和分析結果是可靠的且具有實際工程意義。

當3號桿塔遭受到不同雷電流襲擊時，升壓變壓器的侵入波過電壓幅值如表1所示，隨著雷電流的幅值越大，雷電過電壓的幅值也越大。為定量的分析，設定雷電流的大小為100 kA。

表1 不同雷電流幅值下箱變上的過電壓幅值Table 1 The amplitude of overvoltage in the case of different lightning current amplitude

通過幾處直擊雷點和安裝避雷器數(shù)量這兩組因變量對變壓器高壓側(cè)過電壓進行了仿真分析，得出了表2。從表2中可知，避雷器的安裝數(shù)量越多，變壓器上的過電壓值就越低，從而雷電對高壓設備的影響也就越小。如圖4所示，在已有0號桿塔有避雷器的基礎上，當1號桿塔也裝設避雷器，此時模擬雷電波從1號塔進入，過電壓的有效值減小28.0%；如圖5所示，當在2號桿塔裝設避雷器，模擬雷電擊中2號塔時，過電壓值只減小10.1%。同理，在3號桿塔裝設避雷器，過電壓值就只減小3%。從中可以得知，在越靠后的桿塔裝設避雷器，其作用就越小，因此應在1號和2號桿塔上增設線路避雷器。

表2 改變避雷器安裝方案和雷擊點時箱變上的過電壓幅值Table 2 Change the lightning arrester installation scheme and the change of the box overvoltage amplitude kV

在前文所述1號和2號塔上裝設避雷器的基礎上，將進行輸電桿塔的接地電阻對雷電過電壓的影響研究。因為風電場地理位置較為復雜，并受其影響，研究中只對最末端兩座桿塔的接地電阻進行模擬研究。

現(xiàn)模擬100 kA，0.25/100 μs的雷電擊中1號塔，此時通過改變最末端兩基塔的接地電阻（因變量），得到如圖6所示的變壓器高壓側(cè)端過電壓波形圖。圖7為降低接地電阻對過電流的影響，從圖中可知，通過減小最末兩端接地電阻的阻值對過電壓的影響非常小，然而卻大大降低了末端電纜處的電流。將電阻值減小到原值的1/2時，雷電流幅值降低49.8%，通過減小終端塔和1號桿塔的接地電阻，可以有效降低高壓設備損壞的幾率。

圖4 采取方案1時箱變上的過電壓Fig.4 The overvoltage of the transformer for the Plan 1

圖5 采取方案2時箱變上的過電壓Fig.5 The overvoltage of the transformer for the plan 2

圖6 降低接地電阻對過電壓的影響Fig.6 The influence of reducing grounding resistance on overvoltage

圖7 降低接地電阻對過電流的影響Fig.7 The influence of reducing grounding resistance on overcurrent

3 改進措施

1）通過在風電場輸電線路上安裝避雷器，能夠把直擊雷電流分流流入大地，這樣可以大大降低侵入升壓變壓器的雷電壓過電壓波。最終達到了對線路和變壓器的保護目的。通過以上仿真的結果可得出：在風電場中的終端塔和1號、2號桿塔都安裝避雷器，可以大大提高防雷的效果。

2）當輸電桿塔的接地網(wǎng)電阻值遠小于桿塔上的避雷線和導線的阻抗值時，直擊雷中的絕大部分的雷電流會順著輸電桿塔流入大地，其余的雷電流就會順著避雷線流向附近的桿塔，通過該方法可降低直擊雷侵入波對風電場中設備的危害。并采取降低輸電線路末端兩基桿塔的接地電阻的措施，可以對風電場防雷起到較大的作用。

4 結論

針對現(xiàn)目前的風電場中的輸電線路防雷保護研究較少，當雷電擊中輸電桿塔時，將引起侵入過電壓波，此種波將會順著輸電線路傳播到風力發(fā)電機組，從而會對升壓變壓器和其他一次、二次高壓設備的損壞。為了減少直擊雷對風電場中設備的影響、降低侵入變壓器的暫態(tài)過電壓，將安裝線路避雷器對直擊雷的暫態(tài)過程進行限制，最終達到保護變壓器和其他設備的目的[11-14]。經(jīng)本文研究發(fā)現(xiàn)：當分別降低風電場中輸電線路最末端兩座桿塔的接地電阻，就能夠充分減小流經(jīng)桿塔的雷電流。通過ATPdraw軟件分析，當在風電場中輸電始端的兩座塔基上增設ZnO避雷器時，可以實現(xiàn)大幅度降低雷電侵入波對高壓設備的損壞，從而提高風電場中輸電線路的耐雷水平，保障風電場穩(wěn)定安全的運行。

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Research and Protection of Direct Lightning Strike in Wind Farm

WANG Qiaoqiao1，LIN Lin1，LIU Hongxia1，MA Qiang2，LIN Qiwei1，LI Huicong2
（1.State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China；2.State Grid Shandong Electric Company，Jinan 250012 ，China）

The weak link of the lightning protection in a wind farm is the transmission lines，when the direct lightning stroke on the power transmission line，it will not only bring damage to the transmis?sion line itself，the invade wave overvoltage along the line will be transmitted to the wind turbine，that will cause transformer damage and the wind turbine outage.In this paper，a lightning accident of a wind farm is analyzed，ATP/EMTP is used to simulate a lightning strike on the transmission lines（lightning current model，tower model，lightning arrester model，insulator string model，transformer model），through the simulation，the transient overvoltage on step-up transformer and maximum lightning current flow through the cable are obtained，and it is simulated that the overvoltage and overcurrent value at light?ning point when installing line surge arresters and grounding resistance reducing.Finally，through the comprehensive comparison，two protection measures are put forward，one is install arresters in the tower No.1，the other is reduce the grounding resistance in the tower No.2，so as to effectively protect the trans?mission line in the wind farm.

wind farm；transmission lines；overvoltage；ATP/EMTP

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.019

2017-03-29

王俏俏（1984—），女，高級工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)維護及管理工作。