基于ATP-EMTP 的金属氧化物避雷器雷电电涌防护模拟研究

周广珉，赵 炜

（水电十四局大理聚能投资有限公司，云南 昆明 671000）

0 引 言

根据国家能源局公布的数据，截止到2017年底，全国（除港、澳、台地区外）累计装机容量达到1.64×108kW，年发电量3 057×108kW·h[1]。随着风力发电的快速发展，风电机组的雷击事故越发严重。雷击除了对风机叶片造成严重损害外，也频繁发生对风电机组升压变压器、避雷器和开关设备等集电系统的破坏[2-3]。根据IEC/Tr61400—24研究表明，风电控制系统的雷电相关损害达51%[4]。雷电损害最主要原因的是直接对风力发电机叶片进行放电，导致风电场信号传输电缆中断，引发雷电电涌现象。这种情况在风电场电气系统中普遍存在[5-6]。Sarajcev等试验表明，当低压变压器绕组遭受雷电冲击时，如果电涌大于30 kV，则低压绕组被损坏[7]。如果施加到低电压绕组的电涌幅值低至3 kV，但持续时间足够长，高电压变压器绕组也会损坏。

为保证风力发电系统中输电线路的稳定运行，避雷器的高效、可靠防护则具有重要意义。金属氧化物避雷器具有非线性伏安特性，正常工作电压下金属氧化物避雷器电阻很大，流过的电流很小。在过电压冲击时，由于非线性伏安特性导致电阻急剧下降，使过多的能量得到迅速释放，这一优良特性成为科研人员研究的焦点。Elhady等将电力变压器的高频模型纳入风电场雷电过电压的ATP-EMTP研究中[8]。Rodrigues等对单个和相互连接的风力涡轮机进行了深入分析[9-10]。此外，Sarajcev等利用Monte Carlo模拟金属氧化物避雷器在风电场故障中的不同影响效果[11]。为了研究引入金属氧化物避雷器对风力发电系统雷电电涌防护效果分析，通过对单台风力机组进行建模，利用ATPEMTP软件，研究引入与不引入金属氧化物避雷器对模型系统内电流波形和电位差波形的影响规律，从而为风电场建设、避雷器选型提供理论参考依据。

1 风电机组模型建立

1.1 风电机组系统模型

利用ATP-EMTP软件建立的风电机组变电系统初始模型如图1所示，加入金属氧化物避雷器的风电机组变电系统模型如图2所示。机组系统模型包括雷电流源、塔杆、变电机组、金属氧化物避雷器及送电电缆等[12]。风电场位于高海拔和高土壤电阻率地区，为了提供足够的防雷保护，风力发电机底部的变压器在中低电压端子上配备有避雷器。

模拟雷电电流对风力发电系统变电站的冲击作用，利用ATP-EMTP软件进行模拟时，采用瞬态过电压进行分析[13]。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[14]。

1.2 雷电电流模型

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。其中，主要有四个参数来定义雷击过程，分别是幅值I0、波头时间τ1、波尾时间τ2和极性（可以是正值也可以是负值）[15]。雷击幅值和波头时间对暂态过电压现象影响最大；波头时间越短，雷击时电力系统上的过电压越大[15-16]。相反，雷击幅度和尾部持续时间决定了电力系统部件[15]承受的热损伤及由避雷器吸收的能量[17]。但使，雷电参数的分布是不均匀的，它们的参数值取决于不同的气候和地理因素。

图1 风电机组变电系统初始模型

图2 加入金属氧化物避雷器的风电机组变电系统模型

根据IEC61400—24[4]推荐的雷电电流参数用于ATP-EMTP模拟，推荐雷电电流参数如表1所示。雷电电流波形采用Heidler函数表示：

式中：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。

1.3 金属氧化物避雷器模型

使用的避雷器由金属氧化物元件和间隙组成，额定电压为110kV。通过假设，避雷器间隙中的电压达到29 kV时，避雷器开始放电，避雷器电压-电流曲线如图3所示。计算过程中，避雷器的损伤阈值能量被假定为15 kJ和30 kJ，分别对应于2.5 kA和5 kA避雷器的额定耐受能力。

表1 雷电电流参数

图3 金属氧化物避雷器的电压-电流特性

金属氧化物避雷器电流与电压间的关系服从规律：

式中：ib为陡坡电流，kA；p、q是常数，q的典型值为20～30；Uref为参考电压，通常取额定电压的2倍或接近于2倍的值。

金属氧化物避雷器在ATP-EMTP软件中模型参数设定为：耐受电压110kV，耐受电流2kA，延迟时间为1s。

2 结果与讨论

为模拟研究金属氧化物避雷器对风力发电系统的保护作用，首先模拟系统内没有避雷器条件下的雷电暂态过程，然后与加入避雷器的模拟结果进行比对分析，研究避雷器加入后对系统内雷电暂态过程的影响。

2.1 电流波形

模拟计算过程中，假定系统传输线路无金属屏蔽层，则根据有无避雷器研究线路内电流波形变化规律。假设采用Heidler冲击波电源[Heidler type 15]，参数设定为一个幅值是120 kA，波形参数为的直接对地线的雷击引起的，雷电流幅值为120 000 A，波头时间为4×10-6s，波尾时间为5×10-5s，雷电通道波阻抗为400 Ω。雷电流波形如图4所示，无避雷器三相线路内雷击感应电流的模拟计算结果波形图如图5所示，有避雷器三相线路内雷击感应电流的模拟计算结果波形图如图6所示。

图4 雷电流波形图

图5 无避雷器时线路内感应电流波形图

图6 有避雷器线路内雷击感应电流波形图

由图4可知，当避雷器不接入线路时，雷电冲击电路后，线路中电流急剧升高，τ1约为3 μs，瞬时峰值电流冲击达118 kA，进入三相导线内的感应电流冲击峰值也到达了19 kA，将对系统内设备造成不可逆转的损害。τ2大于20 μs，对系统的持续性损伤更严重。当避雷器接入系统线路后，瞬时峰值电流冲击降低到4 kA，避雷器保护作用效果达78.9%，对系统的防护效果显著优化。

2.2 电位差波形

系统内暂态电位的升高会导致各电气设备内金属体之间的电位差。当这一电位差超过两者之间空气的绝缘耐受强度后，空气将被击穿，使得设备内各金属部分都产生高电位。这种反击事故会对机组内设备产生巨大的破坏作用。为了对比分析研究避雷器加入后对系统内各设备的保护作用，雷击电压波形如图7所示。避雷器未接入时和接入时三相线路内雷击感应电压的模拟计算结果波形图，如图8、图9所示。

图7 雷击电压波形图

由图8可知，雷电侵入三相导线内的峰值电压为1.8 MV。如果在系统内引入金属氧化物避雷器，如图9所示，测得变压器低压侧的雷击感应电压的最大值为1.18 MV，峰值电压衰减了34.4%。

3 结 论

利用ATP-EMTP模拟金属氧化物避雷器接入系统线路后，瞬时峰值电流冲击由19 kA降低到4 kA，避雷器保护作用效果达78.9%；在系统内引入金属氧化物避雷器，变电系统内的雷击感应电压的最大值由1.8 MV降低为1.18 MV，峰值电压衰减了34.4%。可见，金属氧化物避雷器对系统的防护效果显著。

图8 无避雷器线路内雷击感应电压波形图

图9 有避雷器线路内雷击感应电压波形图