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風電場集電線路防雷措施分析
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(qū)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(qū)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(wěn)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(guī)律,分析了線路感應過電壓的主要影響因素,并以此為依據(jù),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(tài)計算分析的常用軟件,經過數(shù)十年的發(fā)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(xù)回擊的復雜過程。目前雷電流的數(shù)學模型主要有雙指數(shù)型和Heidler型D9-20 , 其中后者更適用于山區(qū),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(shù)為依據(jù),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(jù)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(shù)可以根據(jù)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(shù)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(fā)生閃絡的方法主要有3種:規(guī)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(fā)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。1.5 防雷器（避雷器）模型
氧化鋅防雷器是一種利用氧化鋅壓敏電阻非線性特性,具備良好保護性能的避雷器。在正常工作電壓下，防雷器內流過的電壓很小;在過電壓作用下，氧化鋅電阻急劇下降,將雷電流導入大地,起到保護作用。因此本文選用氧化鋅避雷器:作為仿真對象，采用ATP- EMTP軟件中的自帶MOV模塊對其進行等效,其動作特性曲線見圖1。
2風電場集電線路雷擊過電壓分析
2.1雷擊桿塔位置的影響
本文搭建的風電場集電線路示意圖見圖2,-共有6個桿塔,每個桿塔之間距離相等。.
2.2接地電阻的影響
根據(jù)CB 50057- 2010 規(guī)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(huán)境,接地電阻很難滿足要求,尤其是在山區(qū)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(shù)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(guī)律,見圖5。
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(fā)生閃絡,故選擇對100Ω的接地電阻進行優(yōu)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8可得,通過比較方案1和方案3,或者比較方案2和方案4,可以發(fā)現(xiàn):當雷電擊中桿塔2時，降低桿塔1的接地電阻可大幅度降低輸電線路上的過電壓;通過比較方案1和方案2,或者比較方案3和方案4,可以發(fā)現(xiàn):當雷電擊中桿塔2時,輸電線路上的過電壓峰值僅降低1 ~2 kV,而且衰減速率基未發(fā)生變化，然而將接地電阻從50Ω降為100成本巨大。綜上發(fā)現(xiàn),減少靠近風電機組側桿塔的接地電阻可以有效降低雷電導致的過電壓并降低雷電過電壓對風電機組中的危害,可以通過主要降低桿塔1接地電阻、適當降低桿塔2的接地電阻的階梯式降阻方法,用來防護雷電擊中桿塔時對風電機組造成的安全威脅。
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。3.2 防雷器
防雷器是一種常用的抑制過電壓的設備。在接地電阻為100Ω,雷電擊中桿塔1的條件下，在桿塔1上加裝了防雷器后的計算結果見圖9。從圖9可得,當雷電擊中桿塔1時，桿塔1上防雷器抑制過電壓的效果十分顯著。
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(xiàn)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。
