风电机组雷击过电压的仿真分析及防雷接地保护

赵 炜，周广珉

（水电十四局大理聚能投资有限公司，云南 大理 671000）

风能是一种清洁能源，开发利用风能资源是调整能源结构、实现能源清洁可持续发展的重要手段。我国幅员辽阔，风能资源丰富，风电机组累积装机容量位居世界首位。由于风能资源主要存在于空旷地带及高山等雷电危害较为集中的区域，风电机组容易受到雷击的危害，对风电机组的正常运行造成了严重威胁。

在风电机组受到雷击时，雷电流在雷击点流向大地时会在机组线路中产生感应过电流和过电压，这会对系统设备造成损坏。

据统计，在雷击损害事故中，电子系统和控制系统损坏的比例高达50%以上[1]。肖翔等[2]对风电机组雷击过电压进行了仿真分析，结果表明，良好的接地可以明显地改善风电机组中的过电压，但是不能改变机组中过电压的最大值；杨文斌等[3]对风电机组过电压保护和防雷设计进行了分析研究，指出在风电机组过电压保护和防雷接地方面，应主要考虑直击雷、感应雷、接地设计和机组配套升压设备的保护，在风电机组易受雷击位置及容易遭受雷击破坏的位置安装避雷针和避雷器可以有效解决由雷击造成的损失问题，同时安装风电机时应做好接地工作，必须对每台风机做好接地计算工作。

由于雷电强度的不同，风电机组会产生不同程度的过电压。为保证风电机组的安全运行，必须掌握系统内过电压随雷电强度的变化规律，同时，云贵地区多为喀斯特地貌，这种特殊的地形特征会对雷电强度和雷击造成不同的影响。因此，本文从喀斯特地貌出发，分析了喀斯特地貌的雷电分布特征，结合ATP-EMPT仿真软件分析了不同雷击强度的风电机组过电压，为喀斯特地貌的风电机组的防雷保护和安全运行提供了理论基础和数据支持。

1 喀斯特地貌的雷电活动及防雷接地保护

1.1 喀斯特地貌的雷电分布特征

雷电是积雨云强烈发展时伴随出现的大气放电现象，各地发生雷电的频率会因地形而异，同时雷电发生的路径也会因地面的高低不平而表现出较大的差异。喀斯特地貌高低起伏，土壤的电气特征变化较大等环境因素可导致区域大气电场不稳定，容易引发局部强对流天气过程，高低不平的地势分布极易产生尖端放电现象，造成区域内落雷密度较高，从而增加风电机组雷击的风险。同时，在不同土壤电阻率交接区域，例如土壤和岩石交界处，容易发生雷击风险[4]。

1.2 喀斯特地貌的防雷接地保护

影响接地网接地电阻的因素主要有两个，一个是机组周围的土壤电阻率，土壤电阻率越低，则接地电阻越小；另一个是接地网的规模，包括接地网横向的占地面积和接地网纵向的跨越深度。

国内外针对风电场防雷接地所采用的防护系统接地方式一般有两种：一种是由水平接地体和垂直接地体组成接地体，另一种是采用环形接地带。同时，也可以使用垂直接地体和水平接地体的结合形式。考虑到喀斯特地貌地表岩石分布较多，土壤电阻率较高的问题，为达到较好的接地降阻效果，首先应改变土壤的电阻率，采用添加降阻剂、局部换土、电解离子接地系统和接地模块等方法减小土壤电阻率，同时结合扩大接地网横向占地面积和增加接地网纵向跨越深度的方法，以满足接地电阻的要求。

2 风电机组模型的建立

2.1 风电机组系统模型

利用ATP-EMTP软件建立的风电机组系统初始模型如图1所示。机组系统模型包括雷电流源、风力发电机、金属氧化物避雷器、箱变、送电电缆等[5]。风力发电机额定电压为690 V，额定功率为1.5 MWA，将其建模为恒定负载。风力发电机在塔的底部配备有1.5 MWA变压器，将690 V发电机输出电压通过塔架底部的1.5 MWA变压器升至24 kV，24 kV通过15 MVA、24/69 kV风电场变电所升压至69 kV。

本文由于模拟雷电电流对风力发电系统的冲击作用，所以在利用ATP-EMTP软件进行模拟时，采用瞬态过电压分析。变压器绕组之间的电容设为固定值，利用JMARTI模型将电缆建模为分布参数。根据雷电瞬态过电压分析，变换矩阵以400 kHz的频率进行计算。

图1 风电机组系统初始模型

2.2 雷电电流模型

表1 雷电电流参数

雷击过程可以用具有上升和衰减持续时间的双指数波形来表示。有4个主要参数定义这一雷击过程，分别是幅度I0，波前时间τ1，波尾时间τ2和极性（可以是正值，也可以是负值）。雷击幅值和前沿持续时间对暂态过电压现象影响最大，前持续时间越短，雷击时电力系统上的过电压越大；雷击幅度和尾部持续时间决定了电力系统部件承受的热损伤，以及由避雷器吸收的能量[6]。需要指出的是，雷电参数的分布是不均匀的，它们取决于不同的气候和地理因素。在本文中，IEC61400—24[7]推荐的雷电电流参数如表1所示，这些参数用于ATP-EMTP模拟。

雷电电流波形采用Heidler函数表示：

式（1）中：I0为峰值电流，kA；τ1和τ2分别为波头时间常数和波尾时间常数，μs；n为电流陡度因子，一般情况下取n＝2或10.

3 计算结果与分析

模拟研究了不同雷电流幅值下不同接地电阻的线路内感应过电压，模拟结果如图2、图3、图4所示。

图2 雷电流幅值为120 kA时不同接地电阻下线路内感应过电压波形图

图3 雷电流幅值为200 kA时不同接地电阻下线路内感应过电压波形图

图4 雷电流幅值为280 kA时不同接地电阻下线路内感应过电压波形图

由图可知，在相同雷电流幅值的条件下，线路内过电压的峰值随着接地电阻的减小逐渐增加。当雷电流幅值为120 KA、接地电阻为10 Ω时，线路内过电压峰值为1.3 MV；当接地电阻为4 Ω时，线路内过电压明显降低，为0.97 MV，下降幅值达到25.4%；当接地电阻减小至2 Ω时，线路内过电压与接地电阻为4 Ω时相比下降不明显。因此，在风电机组防雷接地设计中应充分考虑各种因素，既要求满足机组防雷要求，又要考虑施工难度和经济型问题。随着雷电流幅值的增加，线路内过电压峰值也呈现出线性增加的变化趋势，所以雷电流越高，对风电机组的损坏程度越大，并且在雷电流幅值为280 kA/接地电阻为2 Ω时，线路内的过电压仍旧为2.6 MV之高，因此，为了保证风电机组的安全运行，除了良好的接地之外，恰当的避雷措施也必不可少。

4 结论

研究结果表明：随着雷电流的增加，雷击对风电机组的损坏程度加大。在雷电流较小的条件下，风电机组良好的接地可以有效地减小或避免雷击对机组的损坏；在雷电流较大的条件下，良好的接地已经不能起到保护机组的作用，恰当的避雷措施必不可少。