基于ATP-EMTP 的金屬氧化物避雷器雷電電涌防護模擬研究

周廣珉，趙 煒

（水電十四局大理聚能投資有限公司，云南 昆明 671000）

0 引 言

根據國家能源局公布的數據，截止到2017年底，全國（除港、澳、臺地區外）累計裝機容量達到1.64×108kW，年發電量3 057×108kW·h[1]。隨著風力發電的快速發展，風電機組的雷擊事故越發嚴重。雷擊除了對風機葉片造成嚴重損害外，也頻繁發生對風電機組升壓變壓器、避雷器和開關設備等集電系統的破壞[2-3]。根據IEC/Tr61400—24研究表明，風電控制系統的雷電相關損害達51%[4]。雷電損害最主要原因的是直接對風力發電機葉片進行放電，導致風電場信號傳輸電纜中斷，引發雷電電涌現象。這種情況在風電場電氣系統中普遍存在[5-6]。Sarajcev等試驗表明，當低壓變壓器繞組遭受雷電沖擊時，如果電涌大于30 kV，則低壓繞組被損壞[7]。如果施加到低電壓繞組的電涌幅值低至3 kV，但持續時間足夠長，高電壓變壓器繞組也會損壞。

為保證風力發電系統中輸電線路的穩定運行，避雷器的高效、可靠防護則具有重要意義。金屬氧化物避雷器具有非線性伏安特性，正常工作電壓下金屬氧化物避雷器電阻很大，流過的電流很小。在過電壓沖擊時，由于非線性伏安特性導致電阻急劇下降，使過多的能量得到迅速釋放，這一優良特性成為科研人員研究的焦點。Elhady等將電力變壓器的高頻模型納入風電場雷電過電壓的ATP-EMTP研究中[8]。Rodrigues等對單個和相互連接的風力渦輪機進行了深入分析[9-10]。此外，Sarajcev等利用Monte Carlo模擬金屬氧化物避雷器在風電場故障中的不同影響效果[11]。為了研究引入金屬氧化物避雷器對風力發電系統雷電電涌防護效果分析，通過對單臺風力機組進行建模，利用ATPEMTP軟件，研究引入與不引入金屬氧化物避雷器對模型系統內電流波形和電位差波形的影響規律，從而為風電場建設、避雷器選型提供理論參考依據。

1 風電機組模型建立

1.1 風電機組系統模型

利用ATP-EMTP軟件建立的風電機組變電系統初始模型如圖1所示，加入金屬氧化物避雷器的風電機組變電系統模型如圖2所示。機組系統模型包括雷電流源、塔桿、變電機組、金屬氧化物避雷器及送電電纜等[12]。風電場位于高海拔和高土壤電阻率地區，為了提供足夠的防雷保護，風力發電機底部的變壓器在中低電壓端子上配備有避雷器。

模擬雷電電流對風力發電系統變電站的沖擊作用，利用ATP-EMTP軟件進行模擬時，采用瞬態過電壓進行分析[13]。變壓器繞組之間的電容設為固定值，利用JMARTI模型將電纜建模為分布參數，根據雷電瞬態過電壓分析[14]。

1.2 雷電電流模型

雷擊過程可以用具有上升和衰減持續時間的雙指數波形來表示。其中，主要有四個參數來定義雷擊過程，分別是幅值I0、波頭時間τ1、波尾時間τ2和極性（可以是正值也可以是負值）[15]。雷擊幅值和波頭時間對暫態過電壓現象影響最大；波頭時間越短，雷擊時電力系統上的過電壓越大[15-16]。相反，雷擊幅度和尾部持續時間決定了電力系統部件[15]承受的熱損傷及由避雷器吸收的能量[17]。但使，雷電參數的分布是不均勻的，它們的參數值取決于不同的氣候和地理因素。

圖1 風電機組變電系統初始模型

圖2 加入金屬氧化物避雷器的風電機組變電系統模型

根據IEC61400—24[4]推薦的雷電電流參數用于ATP-EMTP模擬，推薦雷電電流參數如表1所示。雷電電流波形采用Heidler函數表示：

式中：I0為峰值電流，kA；τ1和τ2分別為波頭時間常數和波尾時間常數，μs；n為電流陡度因子，一般情況下取n=2或10。

1.3 金屬氧化物避雷器模型

使用的避雷器由金屬氧化物元件和間隙組成，額定電壓為110kV。通過假設，避雷器間隙中的電壓達到29 kV時，避雷器開始放電，避雷器電壓-電流曲線如圖3所示。計算過程中，避雷器的損傷閾值能量被假定為15 kJ和30 kJ，分別對應于2.5 kA和5 kA避雷器的額定耐受能力。

表1 雷電電流參數

圖3 金屬氧化物避雷器的電壓-電流特性

金屬氧化物避雷器電流與電壓間的關系服從規律：

式中：ib為陡坡電流，kA；p、q是常數，q的典型值為20～30；Uref為參考電壓，通常取額定電壓的2倍或接近于2倍的值。

金屬氧化物避雷器在ATP-EMTP軟件中模型參數設定為：耐受電壓110kV，耐受電流2kA，延遲時間為1s。

2 結果與討論

為模擬研究金屬氧化物避雷器對風力發電系統的保護作用，首先模擬系統內沒有避雷器條件下的雷電暫態過程，然后與加入避雷器的模擬結果進行比對分析，研究避雷器加入后對系統內雷電暫態過程的影響。

2.1 電流波形

模擬計算過程中，假定系統傳輸線路無金屬屏蔽層，則根據有無避雷器研究線路內電流波形變化規律。假設采用Heidler沖擊波電源[Heidler type 15]，參數設定為一個幅值是120 kA，波形參數為的直接對地線的雷擊引起的，雷電流幅值為120 000 A，波頭時間為4×10-6s，波尾時間為5×10-5s，雷電通道波阻抗為400 Ω。雷電流波形如圖4所示，無避雷器三相線路內雷擊感應電流的模擬計算結果波形圖如圖5所示，有避雷器三相線路內雷擊感應電流的模擬計算結果波形圖如圖6所示。

圖4 雷電流波形圖

圖5 無避雷器時線路內感應電流波形圖

圖6 有避雷器線路內雷擊感應電流波形圖

由圖4可知，當避雷器不接入線路時，雷電沖擊電路后，線路中電流急劇升高，τ1約為3 μs，瞬時峰值電流沖擊達118 kA，進入三相導線內的感應電流沖擊峰值也到達了19 kA，將對系統內設備造成不可逆轉的損害。τ2大于20 μs，對系統的持續性損傷更嚴重。當避雷器接入系統線路后，瞬時峰值電流沖擊降低到4 kA，避雷器保護作用效果達78.9%，對系統的防護效果顯著優化。

2.2 電位差波形

系統內暫態電位的升高會導致各電氣設備內金屬體之間的電位差。當這一電位差超過兩者之間空氣的絕緣耐受強度后，空氣將被擊穿，使得設備內各金屬部分都產生高電位。這種反擊事故會對機組內設備產生巨大的破壞作用。為了對比分析研究避雷器加入后對系統內各設備的保護作用，雷擊電壓波形如圖7所示。避雷器未接入時和接入時三相線路內雷擊感應電壓的模擬計算結果波形圖，如圖8、圖9所示。

圖7 雷擊電壓波形圖

由圖8可知，雷電侵入三相導線內的峰值電壓為1.8 MV。如果在系統內引入金屬氧化物避雷器，如圖9所示，測得變壓器低壓側的雷擊感應電壓的最大值為1.18 MV，峰值電壓衰減了34.4%。

3 結 論

利用ATP-EMTP模擬金屬氧化物避雷器接入系統線路后，瞬時峰值電流沖擊由19 kA降低到4 kA，避雷器保護作用效果達78.9%；在系統內引入金屬氧化物避雷器，變電系統內的雷擊感應電壓的最大值由1.8 MV降低為1.18 MV，峰值電壓衰減了34.4%。可見，金屬氧化物避雷器對系統的防護效果顯著。

圖8 無避雷器線路內雷擊感應電壓波形圖

圖9 有避雷器線路內雷擊感應電壓波形圖