基于ATP-EMTP的風電機組雷擊過電壓分析與防護研究

周歧斌，劉非凡，程 彧

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

隨著風力發電產業的迅猛發展，眾多大型的風電場在我國已經投入運行。眾所周知，風力發電機組分散安置在風能資源好的各種復雜地形地帶，如曠野、山頂等，雷電環境比較惡劣，經常發生雷擊風機的事件［1－3］。雷電對風電機組的危害作用是多方面的，它不僅會產生熱效應和機械效應損壞機組部件，還會產生雷電過電壓損壞機組中的電氣設備［4］。IEC61400-24：2010規定，設計風力發電機機組中的電力設備時，其絕緣應能正常耐受幾千伏的瞬時電壓［1］。因此，必須將風電機組內部的雷電過電壓限制在合理范圍內，才能保障風電機組內部電氣設備的安全。而通過仿真分析是對風電機組內部雷電過電壓情況以及防護措施進行研究的有效手段。

ATP-EMTP是電力系統中分析電磁暫態過程常用軟件，主要用于分析和計算電力系統中由于雷電過電壓和操作過電壓引發的暫態過電壓和過電流［5］。本文首次采用ATP-EMTP仿真軟件針對風電機組遭受雷擊后雷電過電壓進行計算和分析，討論了沖擊接地電阻對于雷電過電壓的影響，并研究加裝電涌保護器（SPD）后對于雷電過電壓的限制效果。

1 風電機組雷電過電壓仿真模型

風電機組用于雷電過電壓仿真的等效模型如圖1所示，包括了雷電流，風力發電機、風機變壓器、風機塔筒、電纜，電涌保護器（SPD）以及接地電阻的模型。

圖1 單臺風電機組模型

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——雷電流的波頭時間，τ2——雷電流下降至峰值的37%時的時間；t——作用時間。根據IEC 61400-24標準，首次正回擊產生的雷電流的波頭時間為10μs，半峰值時間為350μs［1］。

1.2 風力發電機和升壓變壓器的模型

為了分析雷電產生的電涌在風力發電機組電氣系統中的傳播，采用ATP-EMTP中的UM1同步發電機模型來等效圖1中風力發電機，設定發電機的容量為3 MW，額定電壓690 V。

同時，采用ATP-EMTP中的Sat Trafo模型來等效風力發電機組升壓變壓器，其電阻RT和電抗XT可計算為［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 沖擊接地電阻的計算

通常在設計風機系統接地系統時，采用計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。但是對于雷擊電流，由于持續時間短，電流波前陡度大，會導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——計及其周圍土壤擊穿區域的等值半徑［4］；Ec——土壤臨界擊穿場強；ρ——土壤未擊穿時的電阻率。

水平接地體的沖擊接地電阻為［4］：

式中 reh——計及其周圍土壤擊穿區域的等值半徑，計算公式同式（6）。

n根垂直接地體并聯后，總的沖擊接地電阻Rimn為［4］：

式中 ηimn——n根并聯垂直接地體的沖擊利用系數，可取相應的工頻利用系數的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，賦予其根據公式（7）計算得到的沖擊電阻值。

1.4 風力發電用電纜

風力發電機組內部使用風力發電專用電纜傳輸電能。風力發電用電纜采用軟銅導線作為導體材料，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套材料［8］。風力發電用電纜截面圖如圖2所示。

圖2 風力發電用電纜截面圖

風力發電用電纜的參數為：90℃交流電阻R、電感L、電容C，可用下列公式進行計算［9］：

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

本文仿真中采用120 mm2截面風力發電用電纜，DC為14.0 mm，Di為17.6 mm。計算得到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。將計算得出的R、L、C參數輸入LINEPI＿3器件，電纜長度設定為80 m。

1.5 電涌保護器

風機設計者為了抑制雷電過電壓，往往在風力發電機機端出口側安裝SPD，如圖3所示。

圖3 安裝SPD后的單臺風電機組模型

電壓限制型SPD的核心保護器件為壓敏電阻，具有連續的伏安特性。當壓敏電阻兩端的電壓為正常工作電壓時，呈現高阻抗狀態。隨著電壓的增大，電阻呈幾何級數迅速減小。在ATPEMTP中，可采用Type99非線性電阻R（i）模型來等效圖1中的SPD，將最大持續工作電壓為750 V的壓敏電阻元件伏安特性參數輸入模型中。為了驗證SPD模型的準確性，將ATPEMTP中針對某一選定的SPD在沖擊電流下仿真計算出的殘壓波形（見圖4）與該SPD在實驗室內進行雷擊試驗得到的殘壓波形（見圖5）進行比對，可發現仿真計算和試驗得到的波形基本一致。

2 仿真結果與分析

2.1 雷電流在風機系統中的分布

在圖1所示的模型中，設定雷電擊中葉片產生的總雷擊電流為10 k A，接地電阻為3Ω，可以計算得到流經塔筒、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中計算出的SPD殘壓波形

圖5 實驗室內測量得到的SPD

圖6 雷電流流經塔筒、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。說明雷電涌一部分經接地電阻流入大地，另一部分經過變壓器中性線流入風電場。這是由于雷電擊中風機葉片之后，雷電流會通過各種導體尋找入地通路，并根據其阻抗分配電流。進一步分析圖1中風機電氣系統不同位置的雷電流分布，峰值如表2所示。

表1 風電機組模型中各點雷電涌電流峰值 k A

由表2可知，在圖1中變壓器一次側，即c處，A、B、C三相均可以觀察到雷電流，而在變壓器二次側幾乎觀察不到雷電流。變壓器低壓側的中性點與設備的接地系統以及風力發電機組中心接地母線連接，并且風機變壓器的一次側為Y型接線，故c處三相中將產生雷電流，該電流經過風機內部線路傳導至風機內部的風力發電機。由于風機變壓器二次側采用三角形接法，因此變壓器二次側繞組感應的過電流在繞組內部形成環流，二次側出口處的雷電流很小。

由于一部分雷電流要經過接地電阻流向大地，此時整個風機系統會產生一個較高的對地電位抬升，導致風力發電機機端出口側（a處）產生較高的過電壓，威脅風力發電機的絕緣。

2.2 沖擊接地電阻對于雷電過電壓的影響

設定擊中風機葉片的雷擊電流為10 k A，在圖1所示的無SPD保護的風機系統中，接地極的不同的沖擊電阻值對風機系統內的過電壓和過電流的影響見表2。

表2 不同沖擊接地電阻阻止對過電壓過電流的影響

從表1可以看出，雷電過電壓的峰值隨著接地電阻的增大而增大，這是由于雷電流經接地電阻泄放進入大地，在該過程中由于沖擊接地電阻的存在，使得變壓器中性點的對地電位抬升，進一步提升風力發電機機端出口處的對地電位。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，這說明有更多的雷電流流入風電機組的電氣系統。當接地電阻為10Ω時，風力發電機出口處的雷電過電壓的峰值達到了95 k V，如此高的過電壓足以擊穿風力發電機的絕緣。因此，降低接地電阻是抑制風力發電機機端出口雷電過電壓的有效手段。

2.3 電涌保護器在風電機組雷電防護中的應用仿真

為了降低風力發電機機端出口的過電壓，可考慮加裝SPD。同樣設定總雷擊電流為10 k A，在不同的接地電阻情況下，SPD對風力發電機的保護效果如表3所示。

表3 不同接地電阻情況下，SPD對風力發電機的保護效果

比較表2和表3可以看出，風力發電機機端出口的過電壓的峰值都被降低到小于800 V。風機機組的電力設備，如風力發電機、變壓器、開關設備等正常絕緣水平能承受幾千伏的瞬態電壓。因此，加裝SPD后可以對于風機設備達到雷電過電壓保護的要求。

3 結語

（1）雷電擊中風機后，雷電涌流經風機塔筒，一部分經過接地電阻流向大地，另一部分經過接地的變壓器中性線進入風機內部。由于風機變壓器二次側采用三角形接法，因此只在變壓器一次側有雷電流。

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

（3）在風力發電機機端出口加裝SPD可以有效抑制雷擊過電壓，確保風機設備的絕緣安全。

［1］IEC 61400-24 2010 Wind turbine generator systems—Part 24 Lightning protection.

［2］BRUCE GLUSHAKOW.Effective Lightning Protection for Wind Turbine Generators.IEEE Trans.EnergyConvers.2007，22（1）：214-222.

［3］PETAR SARAJCEV，RANKO GOIC.A Review of Current Issues in State-of-Art of Wind Farm Overvoltage Protection［J］，Energies，2011（4）：644-668.

［4］ 張小青.風電機組防雷與接地［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［5］ 吳文輝，曹祥麟.電力系統電磁暫態計算與EMTP應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2012.

［6］ HEIDER F，CVETIC J M，STANIC B V.Calculation of Lightning Current Parameters［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1999，14（2）：399-404.

［7］ 何仰贊，溫增銀.電力系統分析［M］.武漢：華中科技大學出版社，2002.

［8］ 顧炯.風力發電用電纜的發展［J］.電線電纜，2009，2（2）：5-6.GU Jiong.Development of the Cable for Wind Power Generation［J］.Electric Wire ＆Cable，2009，2（2）：5-6.

［9］ 卓金玉.電力電纜設計原理［M］.北京：機械工業出版社，1999.