风电场集电线路防雷措施分析知识分享

风电场集电线路防雷措施分析知识分享

目前国内外学者针对风电机组防雷措施的研究较多,并提出了很多抑制措施。但是除风电机组外,风电场内的集电线路也容易遭受雷击，尤其是对于建设于山区的风电场,集电线路通常采用架空输电线，这导致杆塔海拔相对比较高,遭受雷击的概率大大增加,由于山区内的土壤电阻率较高,雷电流泄放入地时可能会导致地电位反击,产生雷击过电压,雷击过电压有可能会顺着集电线路流入风电机组，对风电机组的高压设备和附属设施的安全运行造成严重的威胁。因此,研究风电场内集电线路雷击过电压及其防护措施对风电场的安全稳定运行具有很大的意义。

本文采用ATP- EMTP软件建立了风电场内集电线路的模型,研究了杆塔位置和杆塔接地电阻对线路感应过电压的影响规律,分析了线路感应过电压的主要影响因素,并以此为依据,提出了相应的风电场集电线路防雷措施。

1、风电场集电线路模型

ATP-EMTP软件是电磁场暂态计算分析的常用软件,经过数十年的发展,软件的模型库不断被丰富，目前已经十分成熟并在国际上通用。采ATP- EMTP软件可以准确的模拟实际情况,且计算精度较高,因此本文采用ATP - EMTP软件作为研究工具用于研究风电场集电线路雷击过电压的相关问题。

1.1雷电流模型

雷电对大地放电是一个包含先导、回击和后续回击的复杂过程。目前雷电流的数学模型主要有双指数型和Heidler型D9-20 , 其中后者更适用于山区,其表达式为：

1.2 杆塔模型

风电场集电线路的电压等级为35 kV,杆塔通常采用单回线结构,本文以某实际杆塔的结构参数为依据,采用集中等效模型来对线路杆塔进行等效。对于单回线结构,可根据上下相将杆塔分为三段分别进行等效:第一段为上相至塔顶处;第二段为上相至下相处;第三段为下相至地面处。上述三段均采用电感模型进行等效国。

1.3输电线路模型

ATP- EMTP中有很多的输电线路计算模型,由于雷电流中通常含有各种频率的波,因此采用与雷电流频率有关的输电线路模型更加合适。ATP -EMTP中J.Marti、Semlyen与Noda模型的计算参数可以根据雷电流的频率更改,由于风电场集电线路的长度可达几公里，需要考虑雷电波波过程的影响，因此本文采用Jmarti 分布参数模型24模拟风电场集电线路。

1.4绝缘子模型

绝缘子的闪络特性是输电线路防雷中的重要部分。目前在仿真计算中判断绝缘子是否发生闪络的方法主要有3种:规程法、相交法和先导法。其中先导法是通过雷击放电后的物理过程用以判断绝缘子是否发生闪络,适用于各种雷电波形 ,本文基于先导法,采用ATP - EMTP中的MODEL: Flash模块建立了绝缘子的闪络模型。

1.5 防雷器（避雷器）模型

氧化锌防雷器是一种利用氧化锌压敏电阻非线性特性,具备良好保护性能的避雷器。在正常工作电压下，防雷器内流过的电压很小;在过电压作用下，氧化锌电阻急剧下降,将雷电流导入大地,起到保护作用。因此本文选用氧化锌避雷器:作为仿真对象，采用ATP- EMTP软件中的自带MOV模块对其进行等效,其动作特性曲线见图1。

2、风电场集电线路雷击过电压分析

2.1雷击杆塔位置的影响

本文搭建的风电场集电线路示意图见图2,-共有6个杆塔,每个杆塔之间距离相等。

当雷电击中集电线路杆塔时，绝大部分雷电流会沿着杆塔入地,但是由于由风电场集电线路集电线路区域的土壤电阻率较高,接地电阻较大，加上杆塔的波阻抗,因此雷电流在入地瞬间会与杆塔产生，较大的电压差，引起地电位反击,产生雷电过电压。由于各杆塔所处位置不同，因此雷击不同杆塔造成的过电压也不同。首先计算了雷击不同杆塔时,1号杆塔靠近风机侧三相输电线上的过电压波形，见图3和图4,计算时接地电阻取10Q。

从图3和图4可看出，当雷击位置距离风机越近时，输电线路上的过电压越大，对风电机组的威胁也就越大,因此在研究过电压的防护措施时需要优先考虑靠近风机侧的杆塔和线路。

2.2接地电阻的影响

根据规定,输电线路杆塔的冲击接地电阻应该小于10Ω,但是风电机组往往架设在恶劣的环境,接地电阻很难满足要求,尤其是在山区的风电机组,因此需要考虑接地电阻对过电压的影响,将全线杆塔的接地电阻设置为一个变量,数值为4~200Ω,通过计算得到了接地电阻对靠近风机侧1号杆塔过电压的影响规律,见图5。

从图5可看出,杆塔的接地电阻越大,雷电击中杆塔导致的过电压也越高,特别在接地电阻为200Ω时,线路的感应过电压大幅度上升,且绝缘子发生击穿现象,严重威胁了风电机组的安全运行。因此在研究雷电过电压的防护措施时，需要考虑接地电阻的影响。

3、防护措施

3.1接地电阻

由于杆塔的接地电阻为200Ω时，绝缘子会发生闪络,故选择对100Ω的接地电阻进行优化。在其他杆塔接地电阻为100Ω时,降低1号杆塔的接地电阻后，输电线上过电压的波形见图6。

从图6可看出，只降低1号杆塔的接地电阻就可以有效降低雷电造成的输电线上的过电压幅值,因此从成本角度考虑，可采用接地电阻阶梯分布的方法以降低线路的感应过电压。表1列出了几组接地电阻阶梯分布的方案。

采用表1的方案对接地电阻阶梯式分布的情况进行了计算,当雷电击中杆塔1时，靠近风机侧杆塔上输电线路过电压的波形见图7,雷电击中杆塔2时，输电线路上同一位置的过电压波形见图8。

从图7可看出，当雷电击中杆塔1时，靠近风机侧输电线上的感应过电压主要与杆塔1的接地电阻相关，当杆塔1的接地电阻减小时，输电线路上的过电压大幅度减小;当杆塔1的接地电阻一定,杆塔2的接地电阻减小时,输电线路上的过电压未发生明显变化。

从图8可得,通过比较方案1和方案3,或者比较方案2和方案4,可以发现:当雷电击中杆塔2时，降低杆塔1的接地电阻可大幅度降低输电线路上的过电压;通过比较方案1和方案2,或者比较方案3和方案4,可以发现:当雷电击中杆塔2时,输电线路上的过电压峰值仅降低1 ~2 kV,而且衰减速率基未发生变化，然而将接地电阻从50Ω降为100成本巨大。综上发现,减少靠近风电机组侧杆塔的接地电阻可以有效降低雷电导致的过电压并降低雷电过电压对风电机组中的危害,可以通过主要降低杆塔1接地电阻、适当降低杆塔2的接地电阻的阶梯式降阻方法,用来防护雷电击中杆塔时对风电机组造成的安全威胁。

3.2 防雷器

防雷器是一种常用的抑制过电压的设备。在接地电阻为100Ω,雷电击中杆塔1的条件下，在杆塔1上加装了防雷器后的计算结果见图9。从图9可得,当雷电击中杆塔1时，杆塔1上防雷器抑制过电压的效果十分显著。

在接地电阻为100Ω,雷电击中杆塔2的条件下，在杆塔2上加装了防雷器后的计算结果见图10。从图10可得,当雷电击中杆塔2时,杆塔2上的防雷器对杆塔1上 输电线路的过电压几乎没有抑制效果。

综上发现,在靠近风电机组侧的杆塔上加装防雷器,可以有效抑制雷击该杆塔时造成的过电压,并保障风电机组的安全运行;在杆塔2上安装的防雷器无法降低输电线路上的过电压。

4、结论

1)雷电击中风电场集电线路杆塔时，会使得输电线路上出现过电压,过电压的大小与雷击杆塔的位置和杆塔的接地电阻有关,可以使用阶梯式降阻的方法，提高建设风电场经济性。

2)在靠近风电机组侧的杆塔上装防雷器可以大幅降低雷电导致的过电压,有效防止雷电波对风电机组设备的损害;在接地电阻和风电机组绝缘均满足防雷要求的前提下，可仅在风电机组最近的杆塔处设置防雷器,减小风电场建设成本。