風電場集電線路防雷措施分析知識分享

風電場集電線路防雷措施分析知識分享

目前國內外學者針對風電機組防雷措施的研究較多,並提出了很多抑製措施。但是除風電機組外,風電場內的集電線路也容易遭受雷擊，尤其是對於建設於山區的風電場,集電線路通常采用架空輸電線，這導致杆塔海拔相對比較高,遭受雷擊的概率大大增加,由於山區內的土壤電阻率較高,雷電流泄放入地時可能會導致地電位反擊,產生雷擊過電壓,雷擊過電壓有可能會順著集電線路流入風電機組，對風電機組的高壓設備和附屬設施的安全運行造成嚴重的威脅。因此,研究風電場內集電線路雷擊過電壓及其防護措施對風電場的安全穩定運行具有很大的意義。

本文采用ATP- EMTP軟件建立了風電場內集電線路的模型,研究了杆塔位置和杆塔接地電阻對線路感應過電壓的影響規律,分析了線路感應過電壓的主要影響因素,並以此為依據,提出了相應的風電場集電線路防雷措施。

1、風電場集電線路模型

ATP-EMTP軟件是電磁場暫態計算分析的常用軟件,經過數十年的發展,軟件的模型庫不斷被豐富，目前已經十分成熟並在國際上通用。采ATP- EMTP軟件可以準確的模擬實際情況,且計算精度較高,因此本文采用ATP - EMTP軟件作為研究工具用於研究風電場集電線路雷擊過電壓的相關問題。

1.1雷電流模型

雷電對大地放電是一個包含先導、回擊和後續回擊的複雜過程。目前雷電流的數學模型主要有雙指數型和Heidler型D9-20 , 其中後者更適用於山區,其表達式為：

1.2 杆塔模型

風電場集電線路的電壓等級為35 kV,杆塔通常采用單回線結構,本文以某實際杆塔的結構參數為依據,采用集中等效模型來對線路杆塔進行等效。對於單回線結構,可根據上下相將杆塔分為三段分別進行等效:第一段為上相至塔頂處;第二段為上相至下相處;第三段為下相至地麵處。上述三段均采用電感模型進行等效國。

1.3輸電線路模型

ATP- EMTP中有很多的輸電線路計算模型,由於雷電流中通常含有各種頻率的波,因此采用與雷電流頻率有關的輸電線路模型更加合適。ATP -EMTP中J.Marti、Semlyen與Noda模型的計算參數可以根據雷電流的頻率更改,由於風電場集電線路的長度可達幾公裏，需要考慮雷電波波過程的影響，因此本文采用Jmarti 分布參數模型24模擬風電場集電線路。

1.4絕緣子模型

絕緣子的閃絡特性是輸電線路防雷中的重要部分。目前在仿真計算中判斷絕緣子是否發生閃絡的方法主要有3種:規程法、相交法和先導法。其中先導法是通過雷擊放電後的物理過程用以判斷絕緣子是否發生閃絡,適用於各種雷電波形 ,本文基於先導法,采用ATP - EMTP中的MODEL: Flash模塊建立了絕緣子的閃絡模型。

1.5 防雷器（避雷器）模型

氧化鋅防雷器是一種利用氧化鋅壓敏電阻非線性特性,具備良好保護性能的避雷器。在正常工作電壓下，防雷器內流過的電壓很小;在過電壓作用下，氧化鋅電阻急劇下降,將雷電流導入大地,起到保護作用。因此本文選用氧化鋅避雷器:作為仿真對象，采用ATP- EMTP軟件中的自帶MOV模塊對其進行等效,其動作特性曲線見圖1。

2、風電場集電線路雷擊過電壓分析

2.1雷擊杆塔位置的影響

本文搭建的風電場集電線路示意圖見圖2,-共有6個杆塔,每個杆塔之間距離相等。

當雷電擊中集電線路杆塔時，絕大部分雷電流會沿著杆塔入地,但是由於由風電場集電線路集電線路區域的土壤電阻率較高,接地電阻較大，加上杆塔的波阻抗,因此雷電流在入地瞬間會與杆塔產生，較大的電壓差，引起地電位反擊,產生雷電過電壓。由於各杆塔所處位置不同，因此雷擊不同杆塔造成的過電壓也不同。首先計算了雷擊不同杆塔時,1號杆塔靠近風機側三相輸電線上的過電壓波形，見圖3和圖4,計算時接地電阻取10Q。

從圖3和圖4可看出，當雷擊位置距離風機越近時，輸電線路上的過電壓越大，對風電機組的威脅也就越大,因此在研究過電壓的防護措施時需要優先考慮靠近風機側的杆塔和線路。

2.2接地電阻的影響

根據規定,輸電線路杆塔的衝擊接地電阻應該小於10Ω,但是風電機組往往架設在惡劣的環境,接地電阻很難滿足要求,尤其是在山區的風電機組,因此需要考慮接地電阻對過電壓的影響,將全線杆塔的接地電阻設置為一個變量,數值為4~200Ω,通過計算得到了接地電阻對靠近風機側1號杆塔過電壓的影響規律,見圖5。

從圖5可看出,杆塔的接地電阻越大,雷電擊中杆塔導致的過電壓也越高,特別在接地電阻為200Ω時,線路的感應過電壓大幅度上升,且絕緣子發生擊穿現象,嚴重威脅了風電機組的安全運行。因此在研究雷電過電壓的防護措施時，需要考慮接地電阻的影響。

3、防護措施

3.1接地電阻

由於杆塔的接地電阻為200Ω時，絕緣子會發生閃絡,故選擇對100Ω的接地電阻進行優化。在其他杆塔接地電阻為100Ω時,降低1號杆塔的接地電阻後，輸電線上過電壓的波形見圖6。

從圖6可看出，隻降低1號杆塔的接地電阻就可以有效降低雷電造成的輸電線上的過電壓幅值,因此從成本角度考慮，可采用接地電阻階梯分布的方法以降低線路的感應過電壓。表1列出了幾組接地電阻階梯分布的方案。

采用表1的方案對接地電阻階梯式分布的情況進行了計算,當雷電擊中杆塔1時，靠近風機側杆塔上輸電線路過電壓的波形見圖7,雷電擊中杆塔2時，輸電線路上同一位置的過電壓波形見圖8。

從圖7可看出，當雷電擊中杆塔1時，靠近風機側輸電線上的感應過電壓主要與杆塔1的接地電阻相關，當杆塔1的接地電阻減小時，輸電線路上的過電壓大幅度減小;當杆塔1的接地電阻一定,杆塔2的接地電阻減小時,輸電線路上的過電壓未發生明顯變化。

從圖8可得,通過比較方案1和方案3,或者比較方案2和方案4,可以發現:當雷電擊中杆塔2時，降低杆塔1的接地電阻可大幅度降低輸電線路上的過電壓;通過比較方案1和方案2,或者比較方案3和方案4,可以發現:當雷電擊中杆塔2時,輸電線路上的過電壓峰值僅降低1 ~2 kV,而且衰減速率基未發生變化，然而將接地電阻從50Ω降為100成本巨大。綜上發現,減少靠近風電機組側杆塔的接地電阻可以有效降低雷電導致的過電壓並降低雷電過電壓對風電機組中的危害,可以通過主要降低杆塔1接地電阻、適當降低杆塔2的接地電阻的階梯式降阻方法,用來防護雷電擊中杆塔時對風電機組造成的安全威脅。

3.2 防雷器

防雷器是一種常用的抑製過電壓的設備。在接地電阻為100Ω,雷電擊中杆塔1的條件下，在杆塔1上加裝了防雷器後的計算結果見圖9。從圖9可得,當雷電擊中杆塔1時，杆塔1上防雷器抑製過電壓的效果十分顯著。

在接地電阻為100Ω,雷電擊中杆塔2的條件下，在杆塔2上加裝了防雷器後的計算結果見圖10。從圖10可得,當雷電擊中杆塔2時,杆塔2上的防雷器對杆塔1上 輸電線路的過電壓幾乎沒有抑製效果。

綜上發現,在靠近風電機組側的杆塔上加裝防雷器,可以有效抑製雷擊該杆塔時造成的過電壓,並保障風電機組的安全運行;在杆塔2上安裝的防雷器無法降低輸電線路上的過電壓。

4、結論

1)雷電擊中風電場集電線路杆塔時，會使得輸電線路上出現過電壓,過電壓的大小與雷擊杆塔的位置和杆塔的接地電阻有關,可以使用階梯式降阻的方法，提高建設風電場經濟性。

2)在靠近風電機組側的杆塔上裝防雷器可以大幅降低雷電導致的過電壓,有效防止雷電波對風電機組設備的損害;在接地電阻和風電機組絕緣均滿足防雷要求的前提下，可僅在風電機組最近的杆塔處設置防雷器,減小風電場建設成本。