風電場集電線路防雷措施分析

2021-11-20 · 閱讀435 目前國內外學者針對風電機組防雷措施的研究較多,并提出了很多抑制措施。但是除風電機組外,風電場內的集電線路也容易遭受雷擊，尤其是對于建設于山區的風電場,集電線路通常采用架空輸電線，這導致桿塔海拔相對比較高,遭受雷擊的概率大大增加,由于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,研究了桿塔位置和桿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,并以此為依據,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，目前已經十分成熟并在國際上通用。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于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、回擊和后續回擊的復雜過程。目前雷電流的數學模型主要有雙指數型和Heidler型D9-20 , 其中后者更適用于山區,其表達式為：

1.2 桿塔模型

風電場集電線路的電壓等級為35 kV,桿塔通常采用單回線結構,本文以某實際桿塔的結構參數為依據,采用集中等效模型來對線路桿塔進行等效。對于單回線結構,可根據上下相將桿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;第三段為下相至地面處。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,由于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,由于風電場集電線路的長度可達幾公里，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后的物理過程用以判斷絕緣子是否發生閃絡,適用于各種雷電波形 ,本文基于先導法,采用ATP - EMTP中的MODEL: Flash模塊建立了絕緣子的閃絡模型。
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桿塔和線路。

2.2接地電阻的影響

根據CB 50057- 2010 規定,輸電線路桿塔的沖擊接地電阻應該小于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,將全線桿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號桿塔過電壓的影響規律,見圖5。
從圖5可看出,桿塔的接地電阻越大,雷電擊中桿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

由于桿塔的接地電阻為200Ω時，絕緣子會發生閃絡,故選擇對100Ω的接地電阻進行優化。在其他桿塔接地電阻為100Ω時,降低1號桿塔的接地電阻后，輸電線上過電壓的波形見圖6。

從圖6可看出，只降低1號桿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,當雷電擊中桿塔1時，靠近風機側桿塔上輸電線路過電壓的波形見圖7,雷電擊中桿塔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，當雷電擊中桿塔1時，靠近風機側輸電線上的感應過電壓主要與桿塔1的接地電阻相關，當桿塔1的接地電阻減小時，輸電線路上的過電壓大幅度減小;當桿塔1的接地電阻一定,桿塔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。
在接地電阻為100Ω,雷電擊中桿塔2的條件下，在桿塔2上加裝了防雷器后的計算結果見圖10。從圖10可得,當雷電擊中桿塔2時,桿塔2上的防雷器對桿塔1上 輸電線路的過電壓幾乎沒有抑制效果。
綜上發現,在靠近風電機組側的桿塔上加裝防雷器,可以有效抑制雷擊該桿塔時造成的過電壓,并保障風電機組的安全運行;在桿塔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桿塔時，會使得輸電線路上出現過電壓,過電壓的大小與雷擊桿塔的位置和桿塔的接地電阻有關,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桿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桿塔處設置防雷器,減小風電場建設成本。