学术︱风电机组雷电过电压的仿真分析
北京交通大学电气工程学院的研究人员肖翔、张小青、李聪，在2015年第24期《电工技术学报》上撰文指出，雷击会对风电机组造成严重损坏，是影响风场安全运行的主要因素。在雷击过程中，雷电流流经塔体，并通过电磁场的耦合作用，在塔体内部三相电缆和机组变压器上产生雷电过电压，影响内部设备的正常运行。
通过电磁暂态软件PSCAD搭建了比较全面的风电机组模型，对风电机组的暂态过电压进行计算分析，并研究了不同大小的接地电阻以及不同接地方式对风电机组过电压分布的影响。计算结果表明良好的接地系统有利于降低电缆上的过电压，但不能改变塔体上过电压的最大值，而接地方式的不同对过电压影响巨大，两种接地方式各有优劣。最后为风电机组加入避雷器，验证了防雷设计的有效性，仿真结果为风电机组的安全、经济的防雷设计提供了参考依据。
风力发电是一种清洁的可再生能源，开发利用风能资源是调整能源结构、实施能源可持续发展的有效手段。我国风能资源丰富，可开发利用的潜力巨大。现在我国风机装机总量跃居世界第一位，成为世界第一风电国[1,2]。随着风力发电技术的发展，风机叶尖高度已经达到200m以上，导致机组更易遭受雷击危害。根据IEC 61400-25标准显示，德国风机一般地区雷击损坏率为8台/百台·年，山地是14台/百台·年。
与德国相比，我国风电场所处位置的地质和气候条件相对更加复杂，增加了风机遭受雷击的风险。雷击事故经常造成巨大经济损失，浙江苍南风电场曾有风机因雷击从叶尖到叶根开裂损坏报废，而换一台机组中的一个叶片的直接费用就达到百万以上。因此计算雷击时风电雷电过电压大小对风电单元的防雷保护有重要的意义[3,4]。
目前相关文献的研究主要集中于风电机组的塔体或者机组变压器[5-7]，缺乏风机整体的建模与计算，同时塔体中的电缆模型使用单相电缆模型，并不符合实际情况，而实际中使用的是三相同轴电缆。现在还缺乏具体的研究防雷措施对风机过电压分布的影响。
本文建立风电机组整体模型，包括塔体、三相电缆、三相机组变压器以及避雷器模型，并讨论了不同大小接地电阻在单独接地和共用接地时对雷电过电压的影响，同时对比了加入避雷器前后过电压分布情况。该模型充分反映了雷电过电压在风电机组中的传播过程，仿真结果对实际的工程具有指导作用。
图2 风电机组塔体-电缆模型
结论
本文讨论了风机各部分机组模型的合理性，建立了风机机组的模型，并给出各部分模型的具体参数的计算方法，通过PSCAD对2.5MW风机机组遭遇雷击时暂态过程进行仿真计算，观察各部分雷电过电压的分布情况。
仿真计算结果表明，减小接地电阻并不能改善塔体雷电过电压的幅值；接地电阻大小会影响塔体上的电位分布，维持较小的接地电阻有利于减小耦合到电缆与屏蔽层上的过电压；采用独立接地时塔体和电缆之间存在较大的电位差，但电缆上过电压水平较低；采用公共接地时塔体和电缆之间电位差随时间变化而快速减小，但过电压水平较高；如果塔体内部电缆敷设不合理，可能会导致空气绝缘被击穿而发生闪络；机组变压器一次侧和二次侧存在较大雷电过电压，对于耐压水平较低的低压侧雷击容易导致绝缘损坏；避雷器配合下，对过电压水平有改善作用，但离避雷器越远，保护效果越差。
因此，根据实际的风机安装特性，通过仿真计算可以为线路和机组变压器的避雷器选择提供参考，并帮助检验工程设计的合理性，从而保证风机机组运行的安全，同时节约成本，达到优化设计的目的。
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