基于ATP-EMTP的風(fēng)電機(jī)組雷擊過(guò)電壓分析與防護(hù)研究

周歧斌，劉非凡，程 彧

（1.上海市防雷中心，上海 201615；2.上海電力學(xué)院，上海 200090）

隨著風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，眾多大型的風(fēng)電場(chǎng)在我國(guó)已經(jīng)投入運(yùn)行。眾所周知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分散安置在風(fēng)能資源好的各種復(fù)雜地形地帶，如曠野、山頂?shù)龋纂姯h(huán)境比較惡劣，經(jīng)常發(fā)生雷擊風(fēng)機(jī)的事件［1－3］。雷電對(duì)風(fēng)電機(jī)組的危害作用是多方面的，它不僅會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)損壞機(jī)組部件，還會(huì)產(chǎn)生雷電過(guò)電壓損壞機(jī)組中的電氣設(shè)備［4］。IEC61400-24：2010規(guī)定，設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組中的電力設(shè)備時(shí)，其絕緣應(yīng)能正常耐受幾千伏的瞬時(shí)電壓［1］。因此，必須將風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部的雷電過(guò)電壓限制在合理范圍內(nèi)，才能保障風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部電氣設(shè)備的安全。而通過(guò)仿真分析是對(duì)風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部雷電過(guò)電壓情況以及防護(hù)措施進(jìn)行研究的有效手段。

ATP-EMTP是電力系統(tǒng)中分析電磁暫態(tài)過(guò)程常用軟件，主要用于分析和計(jì)算電力系統(tǒng)中由于雷電過(guò)電壓和操作過(guò)電壓引發(fā)的暫態(tài)過(guò)電壓和過(guò)電流［5］。本文首次采用ATP-EMTP仿真軟件針對(duì)風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊后雷電過(guò)電壓進(jìn)行計(jì)算和分析，討論了沖擊接地電阻對(duì)于雷電過(guò)電壓的影響，并研究加裝電涌保護(hù)器（SPD）后對(duì)于雷電過(guò)電壓的限制效果。

1 風(fēng)電機(jī)組雷電過(guò)電壓仿真模型

風(fēng)電機(jī)組用于雷電過(guò)電壓仿真的等效模型如圖1所示，包括了雷電流，風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)變壓器、風(fēng)機(jī)塔筒、電纜，電涌保護(hù)器（SPD）以及接地電阻的模型。

圖1 單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組模型

1.1 雷電模型

在ATP-EMTP仿真中，可用Heideler電流源模擬［6］模擬圖1中擊中風(fēng)電葉片沿著塔筒流入大地的雷擊電流。在Heideler模型中，雷擊電流表示為：

式中 I0——雷電流幅值；τ1——雷電流的波頭時(shí)間，τ2——雷電流下降至峰值的37%時(shí)的時(shí)間；t——作用時(shí)間。根據(jù)IEC 61400-24標(biāo)準(zhǔn)，首次正回?fù)舢a(chǎn)生的雷電流的波頭時(shí)間為10μs，半峰值時(shí)間為350μs［1］。

1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)和升壓變壓器的模型

為了分析雷電產(chǎn)生的電涌在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣系統(tǒng)中的傳播，采用ATP-EMTP中的UM1同步發(fā)電機(jī)模型來(lái)等效圖1中風(fēng)力發(fā)電機(jī)，設(shè)定發(fā)電機(jī)的容量為3 MW，額定電壓690 V。

同時(shí)，采用ATP-EMTP中的Sat Trafo模型來(lái)等效風(fēng)力發(fā)電機(jī)組升壓變壓器，其電阻RT和電抗XT可計(jì)算為［7］：

式中 UN——額定電壓；SN——額定容量；ΔPS——短路損耗；US%——短路電壓。

1.3 沖擊接地電阻的計(jì)算

通常在設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)接地系統(tǒng)時(shí)，采用計(jì)算直流接地電阻或者工頻接地電阻的方法，電阻中的電抗成份為零或者很小。但是對(duì)于雷擊電流，由于持續(xù)時(shí)間短，電流波前陡度大，會(huì)導(dǎo)致電抗分量顯著增加，使得沖擊接地電阻值大于直流和工頻接地電阻值，在接地極上造成很大的壓降。

單根接地體的沖擊接地電阻為［4］：

式中 rev——計(jì)及其周圍土壤擊穿區(qū)域的等值半徑［4］；Ec——土壤臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)；ρ——土壤未擊穿時(shí)的電阻率。

水平接地體的沖擊接地電阻為［4］：

式中 reh——計(jì)及其周圍土壤擊穿區(qū)域的等值半徑，計(jì)算公式同式（6）。

n根垂直接地體并聯(lián)后，總的沖擊接地電阻Rimn為［4］：

式中 ηimn——n根并聯(lián)垂直接地體的沖擊利用系數(shù)，可取相應(yīng)的工頻利用系數(shù)的80%～90%。

在ATP-EMTP中，可直接使用電阻模型Resistor模擬圖1中的接地電阻，賦予其根據(jù)公式（7）計(jì)算得到的沖擊電阻值。

1.4 風(fēng)力發(fā)電用電纜

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部使用風(fēng)力發(fā)電專用電纜傳輸電能。風(fēng)力發(fā)電用電纜采用軟銅導(dǎo)線作為導(dǎo)體材料，乙丙橡膠或者硅橡膠作為絕緣材料，氯化聚乙烯、氯丁橡膠或氯磺化聚乙烯作為護(hù)套材料［8］。風(fēng)力發(fā)電用電纜截面圖如圖2所示。

圖2 風(fēng)力發(fā)電用電纜截面圖

風(fēng)力發(fā)電用電纜的參數(shù)為：90℃交流電阻R、電感L、電容C，可用下列公式進(jìn)行計(jì)算［9］：

式中 R′——最高溫度下單位長(zhǎng)度導(dǎo)體的直流電阻；ρ20——線芯材料在溫度為20℃時(shí)的電阻率；A——線芯截面積；α——20℃每度溫度系數(shù)常數(shù)；θ——最高工作溫度；k——誤差系數(shù)；ys——集膚效應(yīng)因數(shù)；yp——臨近效應(yīng)因數(shù)；μ0——真空磁導(dǎo)率；S——電纜中心間距離；DC——導(dǎo)電線芯外徑；Di——絕緣層外徑；ε0——真空介電常數(shù)；ε——絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)。

本文仿真中采用120 mm2截面風(fēng)力發(fā)電用電纜，DC為14.0 mm，Di為17.6 mm。計(jì)算得到R為1.958×10－4Ω／m，L為1.916 3×10－4m H／m，C為7.297 9×10－4μF／m。利用ATPEMTP中的LINEPI＿3模型模擬圖1中的電纜。將計(jì)算得出的R、L、C參數(shù)輸入LINEPI＿3器件，電纜長(zhǎng)度設(shè)定為80 m。

1.5 電涌保護(hù)器

風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)者為了抑制雷電過(guò)電壓，往往在風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)端出口側(cè)安裝SPD，如圖3所示。

圖3 安裝SPD后的單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組模型

電壓限制型SPD的核心保護(hù)器件為壓敏電阻，具有連續(xù)的伏安特性。當(dāng)壓敏電阻兩端的電壓為正常工作電壓時(shí)，呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)。隨著電壓的增大，電阻呈幾何級(jí)數(shù)迅速減小。在ATPEMTP中，可采用Type99非線性電阻R（i）模型來(lái)等效圖1中的SPD，將最大持續(xù)工作電壓為750 V的壓敏電阻元件伏安特性參數(shù)輸入模型中。為了驗(yàn)證SPD模型的準(zhǔn)確性，將ATPEMTP中針對(duì)某一選定的SPD在沖擊電流下仿真計(jì)算出的殘壓波形（見圖4）與該SPD在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行雷擊試驗(yàn)得到的殘壓波形（見圖5）進(jìn)行比對(duì)，可發(fā)現(xiàn)仿真計(jì)算和試驗(yàn)得到的波形基本一致。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 雷電流在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的分布

在圖1所示的模型中，設(shè)定雷電擊中葉片產(chǎn)生的總雷擊電流為10 k A，接地電阻為3Ω，可以計(jì)算得到流經(jīng)塔筒、變壓器中性線以及接地極的雷電流，波形如圖6所示。

圖4 ATP-EMTP中計(jì)算出的SPD殘壓波形

圖5 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量得到的SPD

圖6 雷電流流經(jīng)塔筒、接地電阻以及變壓器中性線的波形圖

從圖6可見，接地電阻和變壓器中性線上都有電流流過(guò)。說(shuō)明雷電涌一部分經(jīng)接地電阻流入大地，另一部分經(jīng)過(guò)變壓器中性線流入風(fēng)電場(chǎng)。這是由于雷電擊中風(fēng)機(jī)葉片之后，雷電流會(huì)通過(guò)各種導(dǎo)體尋找入地通路，并根據(jù)其阻抗分配電流。進(jìn)一步分析圖1中風(fēng)機(jī)電氣系統(tǒng)不同位置的雷電流分布，峰值如表2所示。

表1 風(fēng)電機(jī)組模型中各點(diǎn)雷電涌電流峰值 k A

由表2可知，在圖1中變壓器一次側(cè)，即c處，A、B、C三相均可以觀察到雷電流，而在變壓器二次側(cè)幾乎觀察不到雷電流。變壓器低壓側(cè)的中性點(diǎn)與設(shè)備的接地系統(tǒng)以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中心接地母線連接，并且風(fēng)機(jī)變壓器的一次側(cè)為Y型接線，故c處三相中將產(chǎn)生雷電流，該電流經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)內(nèi)部線路傳導(dǎo)至風(fēng)機(jī)內(nèi)部的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。由于風(fēng)機(jī)變壓器二次側(cè)采用三角形接法，因此變壓器二次側(cè)繞組感應(yīng)的過(guò)電流在繞組內(nèi)部形成環(huán)流，二次側(cè)出口處的雷電流很小。

由于一部分雷電流要經(jīng)過(guò)接地電阻流向大地，此時(shí)整個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較高的對(duì)地電位抬升，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)端出口側(cè)（a處）產(chǎn)生較高的過(guò)電壓，威脅風(fēng)力發(fā)電機(jī)的絕緣。

2.2 沖擊接地電阻對(duì)于雷電過(guò)電壓的影響

設(shè)定擊中風(fēng)機(jī)葉片的雷擊電流為10 k A，在圖1所示的無(wú)SPD保護(hù)的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，接地極的不同的沖擊電阻值對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的過(guò)電壓和過(guò)電流的影響見表2。

表2 不同沖擊接地電阻阻止對(duì)過(guò)電壓過(guò)電流的影響

從表1可以看出，雷電過(guò)電壓的峰值隨著接地電阻的增大而增大，這是由于雷電流經(jīng)接地電阻泄放進(jìn)入大地，在該過(guò)程中由于沖擊接地電阻的存在，使得變壓器中性點(diǎn)的對(duì)地電位抬升，進(jìn)一步提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)端出口處的對(duì)地電位。從表1還可以看出，流入接地極的電流隨著接地電阻的增大而減小，這說(shuō)明有更多的雷電流流入風(fēng)電機(jī)組的電氣系統(tǒng)。當(dāng)接地電阻為10Ω時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)出口處的雷電過(guò)電壓的峰值達(dá)到了95 k V，如此高的過(guò)電壓足以擊穿風(fēng)力發(fā)電機(jī)的絕緣。因此，降低接地電阻是抑制風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)端出口雷電過(guò)電壓的有效手段。

2.3 電涌保護(hù)器在風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)中的應(yīng)用仿真

為了降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)端出口的過(guò)電壓，可考慮加裝SPD。同樣設(shè)定總雷擊電流為10 k A，在不同的接地電阻情況下，SPD對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的保護(hù)效果如表3所示。

表3 不同接地電阻情況下，SPD對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的保護(hù)效果

比較表2和表3可以看出，風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)端出口的過(guò)電壓的峰值都被降低到小于800 V。風(fēng)機(jī)機(jī)組的電力設(shè)備，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)、變壓器、開關(guān)設(shè)備等正常絕緣水平能承受幾千伏的瞬態(tài)電壓。因此，加裝SPD后可以對(duì)于風(fēng)機(jī)設(shè)備達(dá)到雷電過(guò)電壓保護(hù)的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）雷電擊中風(fēng)機(jī)后，雷電涌流經(jīng)風(fēng)機(jī)塔筒，一部分經(jīng)過(guò)接地電阻流向大地，另一部分經(jīng)過(guò)接地的變壓器中性線進(jìn)入風(fēng)機(jī)內(nèi)部。由于風(fēng)機(jī)變壓器二次側(cè)采用三角形接法，因此只在變壓器一次側(cè)有雷電流。

（2）接地電阻越小，產(chǎn)生的雷電過(guò)電壓的峰值就越小。因此降低接地電阻可有效減低雷電過(guò)電壓的峰值。

（3）在風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)端出口加裝SPD可以有效抑制雷擊過(guò)電壓，確保風(fēng)機(jī)設(shè)備的絕緣安全。

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