基于ATP-EMTP 的金屬氧化物避雷器雷電電涌防護(hù)模擬研究

周廣珉，趙 煒

（水電十四局大理聚能投資有限公司，云南 昆明 671000）

0 引 言

根據(jù)國(guó)家能源局公布的數(shù)據(jù)，截止到2017年底，全國(guó)（除港、澳、臺(tái)地區(qū)外）累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到1.64×108kW，年發(fā)電量3 057×108kW·h[1]。隨著風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組的雷擊事故越發(fā)嚴(yán)重。雷擊除了對(duì)風(fēng)機(jī)葉片造成嚴(yán)重?fù)p害外，也頻繁發(fā)生對(duì)風(fēng)電機(jī)組升壓變壓器、避雷器和開(kāi)關(guān)設(shè)備等集電系統(tǒng)的破壞[2-3]。根據(jù)IEC/Tr61400—24研究表明，風(fēng)電控制系統(tǒng)的雷電相關(guān)損害達(dá)51%[4]。雷電損害最主要原因的是直接對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片進(jìn)行放電，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)信號(hào)傳輸電纜中斷，引發(fā)雷電電涌現(xiàn)象。這種情況在風(fēng)電場(chǎng)電氣系統(tǒng)中普遍存在[5-6]。Sarajcev等試驗(yàn)表明，當(dāng)?shù)蛪鹤儔浩骼@組遭受雷電沖擊時(shí)，如果電涌大于30 kV，則低壓繞組被損壞[7]。如果施加到低電壓繞組的電涌幅值低至3 kV，但持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，高電壓變壓器繞組也會(huì)損壞。

為保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行，避雷器的高效、可靠防護(hù)則具有重要意義。金屬氧化物避雷器具有非線性伏安特性，正常工作電壓下金屬氧化物避雷器電阻很大，流過(guò)的電流很小。在過(guò)電壓沖擊時(shí)，由于非線性伏安特性導(dǎo)致電阻急劇下降，使過(guò)多的能量得到迅速釋放，這一優(yōu)良特性成為科研人員研究的焦點(diǎn)。Elhady等將電力變壓器的高頻模型納入風(fēng)電場(chǎng)雷電過(guò)電壓的ATP-EMTP研究中[8]。Rodrigues等對(duì)單個(gè)和相互連接的風(fēng)力渦輪機(jī)進(jìn)行了深入分析[9-10]。此外，Sarajcev等利用Monte Carlo模擬金屬氧化物避雷器在風(fēng)電場(chǎng)故障中的不同影響效果[11]。為了研究引入金屬氧化物避雷器對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雷電電涌防護(hù)效果分析，通過(guò)對(duì)單臺(tái)風(fēng)力機(jī)組進(jìn)行建模，利用ATPEMTP軟件，研究引入與不引入金屬氧化物避雷器對(duì)模型系統(tǒng)內(nèi)電流波形和電位差波形的影響規(guī)律，從而為風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)、避雷器選型提供理論參考依據(jù)。

1 風(fēng)電機(jī)組模型建立

1.1 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)組變電系統(tǒng)初始模型如圖1所示，加入金屬氧化物避雷器的風(fēng)電機(jī)組變電系統(tǒng)模型如圖2所示。機(jī)組系統(tǒng)模型包括雷電流源、塔桿、變電機(jī)組、金屬氧化物避雷器及送電電纜等[12]。風(fēng)電場(chǎng)位于高海拔和高土壤電阻率地區(qū)，為了提供足夠的防雷保護(hù)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)底部的變壓器在中低電壓端子上配備有避雷器。

模擬雷電電流對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變電站的沖擊作用，利用ATP-EMTP軟件進(jìn)行模擬時(shí)，采用瞬態(tài)過(guò)電壓進(jìn)行分析[13]。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(guò)電壓分析[14]。

1.2 雷電電流模型

雷擊過(guò)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(lái)表示。其中，主要有四個(gè)參數(shù)來(lái)定義雷擊過(guò)程，分別是幅值I0、波頭時(shí)間τ1、波尾時(shí)間τ2和極性（可以是正值也可以是負(fù)值）[15]。雷擊幅值和波頭時(shí)間對(duì)暫態(tài)過(guò)電壓現(xiàn)象影響最大；波頭時(shí)間越短，雷擊時(shí)電力系統(tǒng)上的過(guò)電壓越大[15-16]。相反，雷擊幅度和尾部持續(xù)時(shí)間決定了電力系統(tǒng)部件[15]承受的熱損傷及由避雷器吸收的能量[17]。但使，雷電參數(shù)的分布是不均勻的，它們的參數(shù)值取決于不同的氣候和地理因素。

圖1 風(fēng)電機(jī)組變電系統(tǒng)初始模型

圖2 加入金屬氧化物避雷器的風(fēng)電機(jī)組變電系統(tǒng)模型

根據(jù)IEC61400—24[4]推薦的雷電電流參數(shù)用于ATP-EMTP模擬，推薦雷電電流參數(shù)如表1所示。雷電電流波形采用Heidler函數(shù)表示：

式中：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。

1.3 金屬氧化物避雷器模型

使用的避雷器由金屬氧化物元件和間隙組成，額定電壓為110kV。通過(guò)假設(shè)，避雷器間隙中的電壓達(dá)到29 kV時(shí)，避雷器開(kāi)始放電，避雷器電壓-電流曲線如圖3所示。計(jì)算過(guò)程中，避雷器的損傷閾值能量被假定為15 kJ和30 kJ，分別對(duì)應(yīng)于2.5 kA和5 kA避雷器的額定耐受能力。

表1 雷電電流參數(shù)

圖3 金屬氧化物避雷器的電壓-電流特性

金屬氧化物避雷器電流與電壓間的關(guān)系服從規(guī)律：

式中：ib為陡坡電流，kA；p、q是常數(shù)，q的典型值為20～30；Uref為參考電壓，通常取額定電壓的2倍或接近于2倍的值。

金屬氧化物避雷器在ATP-EMTP軟件中模型參數(shù)設(shè)定為：耐受電壓110kV，耐受電流2kA，延遲時(shí)間為1s。

2 結(jié)果與討論

為模擬研究金屬氧化物避雷器對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的保護(hù)作用，首先模擬系統(tǒng)內(nèi)沒(méi)有避雷器條件下的雷電暫態(tài)過(guò)程，然后與加入避雷器的模擬結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，研究避雷器加入后對(duì)系統(tǒng)內(nèi)雷電暫態(tài)過(guò)程的影響。

2.1 電流波形

模擬計(jì)算過(guò)程中，假定系統(tǒng)傳輸線路無(wú)金屬屏蔽層，則根據(jù)有無(wú)避雷器研究線路內(nèi)電流波形變化規(guī)律。假設(shè)采用Heidler沖擊波電源[Heidler type 15]，參數(shù)設(shè)定為一個(gè)幅值是120 kA，波形參數(shù)為的直接對(duì)地線的雷擊引起的，雷電流幅值為120 000 A，波頭時(shí)間為4×10-6s，波尾時(shí)間為5×10-5s，雷電通道波阻抗為400 Ω。雷電流波形如圖4所示，無(wú)避雷器三相線路內(nèi)雷擊感應(yīng)電流的模擬計(jì)算結(jié)果波形圖如圖5所示，有避雷器三相線路內(nèi)雷擊感應(yīng)電流的模擬計(jì)算結(jié)果波形圖如圖6所示。

圖4 雷電流波形圖

圖5 無(wú)避雷器時(shí)線路內(nèi)感應(yīng)電流波形圖

圖6 有避雷器線路內(nèi)雷擊感應(yīng)電流波形圖

由圖4可知，當(dāng)避雷器不接入線路時(shí)，雷電沖擊電路后，線路中電流急劇升高，τ1約為3 μs，瞬時(shí)峰值電流沖擊達(dá)118 kA，進(jìn)入三相導(dǎo)線內(nèi)的感應(yīng)電流沖擊峰值也到達(dá)了19 kA，將對(duì)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。τ2大于20 μs，對(duì)系統(tǒng)的持續(xù)性損傷更嚴(yán)重。當(dāng)避雷器接入系統(tǒng)線路后，瞬時(shí)峰值電流沖擊降低到4 kA，避雷器保護(hù)作用效果達(dá)78.9%，對(duì)系統(tǒng)的防護(hù)效果顯著優(yōu)化。

2.2 電位差波形

系統(tǒng)內(nèi)暫態(tài)電位的升高會(huì)導(dǎo)致各電氣設(shè)備內(nèi)金屬體之間的電位差。當(dāng)這一電位差超過(guò)兩者之間空氣的絕緣耐受強(qiáng)度后，空氣將被擊穿，使得設(shè)備內(nèi)各金屬部分都產(chǎn)生高電位。這種反擊事故會(huì)對(duì)機(jī)組內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生巨大的破壞作用。為了對(duì)比分析研究避雷器加入后對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的保護(hù)作用，雷擊電壓波形如圖7所示。避雷器未接入時(shí)和接入時(shí)三相線路內(nèi)雷擊感應(yīng)電壓的模擬計(jì)算結(jié)果波形圖，如圖8、圖9所示。

圖7 雷擊電壓波形圖

由圖8可知，雷電侵入三相導(dǎo)線內(nèi)的峰值電壓為1.8 MV。如果在系統(tǒng)內(nèi)引入金屬氧化物避雷器，如圖9所示，測(cè)得變壓器低壓側(cè)的雷擊感應(yīng)電壓的最大值為1.18 MV，峰值電壓衰減了34.4%。

3 結(jié) 論

利用ATP-EMTP模擬金屬氧化物避雷器接入系統(tǒng)線路后，瞬時(shí)峰值電流沖擊由19 kA降低到4 kA，避雷器保護(hù)作用效果達(dá)78.9%；在系統(tǒng)內(nèi)引入金屬氧化物避雷器，變電系統(tǒng)內(nèi)的雷擊感應(yīng)電壓的最大值由1.8 MV降低為1.18 MV，峰值電壓衰減了34.4%。可見(jiàn)，金屬氧化物避雷器對(duì)系統(tǒng)的防護(hù)效果顯著。

圖8 無(wú)避雷器線路內(nèi)雷擊感應(yīng)電壓波形圖

圖9 有避雷器線路內(nèi)雷擊感應(yīng)電壓波形圖