風力發(fā)電系統(tǒng)雷擊時電力電纜瞬態(tài)電壓特性：電力電纜接地配置和屏蔽方法影響

2025-06-03 14:17:58 · 江西省電線電纜制造行業(yè)協(xié)會

風力發(fā)電系統(tǒng)常處于開闊高地，易遭受雷擊，其控制系統(tǒng)及敏感設(shè)備面臨由雷擊引發(fā)的高幅值瞬態(tài)過電壓威脅，嚴重時能導致設(shè)備損壞。

風力發(fā)電系統(tǒng)常處于開闊高地，易遭受雷擊，其控制系統(tǒng)及敏感設(shè)備面臨由雷擊引發(fā)的高幅值瞬態(tài)過電壓威脅，嚴重時能導致設(shè)備損壞。針對一臺額定功率5 kW真型風力發(fā)電機開展了雷電流注入時電力電纜瞬態(tài)響應特性的實驗研究，在多種運行條件及電纜屏蔽層不同接地方式下，測量了塔筒底部與控制室內(nèi)三相電纜上的雷擊瞬態(tài)電壓波形。結(jié)果表明，接入負載可有效降低電纜末端電壓幅值，相應導致電纜首端電壓升高；將電纜屏蔽層接地可顯著抑制電纜上瞬態(tài)電壓，幅值在多數(shù)情況下的下降超過50%；在原有風機接地裝置基礎(chǔ)上接入外部接地網(wǎng)可降低地電位升，并使電纜瞬態(tài)電壓進一步下降超過50%。本研究為提升風力發(fā)電機電力電纜雷電防護能力提供了試驗依據(jù)。

一、研究背景

隨著風電裝機容量不斷提升，其運行可靠性與安全性問題日益突出。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，雷擊是引發(fā)風力發(fā)電機組超過40%電力損失事故和20%以上停機時間的主要外因。雷擊產(chǎn)生的高幅值瞬態(tài)電壓和地電位升高對風電系統(tǒng)中的電力和通信系統(tǒng)構(gòu)成嚴重威脅。深入理解雷擊過程中的瞬態(tài)電壓特性對提升系統(tǒng)雷擊防護水平具有重要意義。本文通過現(xiàn)場試驗，研究了一臺5 kW真型風力發(fā)電機在雷電流作用下的瞬態(tài)電壓響應特性，分析了不同接地配置、電纜負載狀態(tài)及屏蔽層接地方式對電纜瞬態(tài)電壓與地電位升高的影響。

二、研究方法

搭建的現(xiàn)場試驗平臺如圖1，主要由四個部分構(gòu)成：風力發(fā)電機、控制箱、埋地電力電纜和控制室。風機塔筒高9?m，額定輸出功率5?kW，輸出電能通過控制箱和埋地電纜傳輸至控制室。試驗布置如圖2，圖2(a)為整體布局，圖2(b)和圖2(c)為控制箱與控制室的接線配置。控制室內(nèi)配置有控制器、電池組、逆變器及交流負載，本文中統(tǒng)稱為“負載”。圖2(d)為試驗采用的接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。風機的接地系統(tǒng)設(shè)置有兩種模式：獨立接地模式與互連接地模式。在互連接地配置下，風機接地裝置通過導體與外部接地網(wǎng)電氣連接；在獨立接地模式下，風機接地裝置與外部接地網(wǎng)斷開。

為模擬雷電流直擊情形，雷電沖擊電流從風機葉片上的接閃器注入系統(tǒng)，以風機接地裝置與參考“零電位點”之間的電位差表示地電位升高。測量點分別布設(shè)于風機控制箱與控制室，獲取電纜首端與末端的瞬態(tài)電壓響應，用于分析雷電沖擊下電纜電壓分布特性及地電位升高影響。

圖1 風力發(fā)電系統(tǒng)實景圖（a）風機照片（b）控制箱（c）控制室

圖2 試驗布置（a）試驗場地（b）控制箱接線（c）控制室接線（d）風機接地系統(tǒng)

表1 風機三相電纜的負載和屏蔽層接地狀態(tài)

三、研究結(jié)果

圖3為在獨立接地與互連接地兩種模式下的注入電流波形。兩種接地模式下的電流波形均呈現(xiàn)典型的單極性脈沖特征，參數(shù)存在顯著差異，歸因于回路中總沖擊阻抗（即沖擊發(fā)生器輸出回路負載）影響。在圖4所示的地電位升高波形中，相較于獨立接地模式，互連接地模式下的地電位升高幅值下降了63.6%，10–90%上升時間縮短了90%，半峰寬度減少了93.6%，互連接地可有效抑制地電位的快速上升與持續(xù)時間。不同接地模式下風機的沖擊接地阻抗亦存在顯著差異。按瞬態(tài)電壓幅值與注入電流幅值的比值定義，獨立接地模式下的沖擊接地阻抗為29.8?Ω，互連接地模式下降至11.9?Ω。

圖5所示為三相電纜末端電壓波形，三相波形在整體形態(tài)上基本一致，以B相為代表進行分析。根據(jù)表1四種實驗工況，圖6展示了獨立接地模式下電纜首末端的電壓波形，圖7為主要波形參數(shù)的對比分析。結(jié)果表明，電纜末端電壓的極性與注入電流極性相反，且與電纜首端電壓的極性亦相反。在工況4中，末端電壓幅值達到最大，在工況2與工況3中，幅值分別降低了68.7%與73.1%。工況1中，由于電纜屏蔽層接地且負載連接，末端電壓幅值降至最小值。首端電壓方面，與工況2相比，工況1與工況4分別降低了73.0%與8.0%。

圖3 注入電流波形和參數(shù)

圖4 地電位升高（GPR）波形

圖5 電纜末端三相電壓

圖6 獨立接地模式下電纜電壓波形

互聯(lián)接地模式下電纜兩端的電壓波形如圖8，參數(shù)對比見圖9。圖9（b）和（c）表明，在同一情況下，電纜末端電壓的上升時間和半峰寬比電纜首端電壓的上升時間和半峰寬短。將屏蔽層接地或斷開負載會減小電纜首端電壓的半峰寬度，但屏蔽層接地或連接負載會增加電纜末端電壓的半峰寬。此外，圖8中的工況2和工況4展現(xiàn)出電壓波形的欠阻尼振蕩衰減特征，與獨立接地模式下相比，互連接地模式中電纜電壓的持續(xù)時間明顯縮短。結(jié)合圖6與圖8的結(jié)果可見，改變風機接地模式對電纜兩端電壓幅值具有顯著影響。在所有測試工況中，互連接地模式下的電纜首末端電壓幅值始終低于獨立接地模式，進一步說明了接地互聯(lián)在減小雷擊暫態(tài)電壓方面的有效性。