接地系統互連風場雷電浪涌分析

張琳波，趙 明

（云南電力調度控制中心，昆明 650011）

0 引言

2016年，全球風電新增裝機容量54.6 GW，累計裝機容量達到486.7 GW[1]，風電產業(yè)蓬勃發(fā)展。風力發(fā)電的快速發(fā)展也伴隨著日益嚴重的雷擊事故災害[2-3]，做好風電機組的防雷保護至關重要。

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

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

1 風電塔筒及接地系統模型

1.1 雷電流模型

雷電流波形采用雙指數函數[11]表示，表達式為

式中：Ip為電流幅值，kA；α1和α2分別為波頭時間常數和波尾時間常數；kc為幅值修正系數，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 接地系統模型

單臺風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，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。

仿真中分別考慮風機接地系統獨立和接地系統互連兩種情況，具體見圖2。

圖2 風機接地系統Fig.2 Grounding system of wind turbines

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

圖3 連接電纜結構Fig.3 Structure of interconnecting cable

2 仿真結果分析

2.1 風機塔筒高度影響

圖4給出了風機接地系統獨立時，風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。當雷電流沿著風機塔筒向下傳播到達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α：

反射系數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小于塔筒波阻抗，因此β＜0，暫態(tài)電壓波形會出現振蕩，塔筒越高，雷電流折反射次數k越多，波形振蕩越明顯。

2.2 連接電纜影響

雷擊1號風機時，接地系統獨立與接地系統互連情況下塔底電位波形見圖5。連接電纜直接敷設在地表。

由圖5可看出，風機接地系統互連情況下，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號風機時，接地系統互連情況下，連接電纜敷設方式對塔底暫態(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，連接電纜敷設方式對暫態(tài)過電壓幅值影響不大，埋地敷設時略有下降，但過電壓持續(xù)時間較為縮短。

2.3 雷擊位置影響

接地系統互連情況下，雷擊1號和3號風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方式。

從圖7可看出，一臺風機遭受雷擊后，雷電浪涌不僅會傳播至鄰近風機，也會傳播至距離較遠的風機，但是電流和過電壓衰減較為明顯，距離雷擊點越遠，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號風機，連接電纜采用埋地敷設方式。

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

圖7 不同風機入地電流和暫態(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 結論

利用PSCAD軟件搭建立簡單風電場模型，對接地系統互連情況下的雷電浪涌特性進行了分析，得到如下結論：

1）風機塔筒越高，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）采用互連接地系統時，雷電浪涌會傳播至其他相連風機。距離雷擊點越遠的風機，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備絕緣產生危害。

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