風力發電系統雷擊時電力電纜瞬態電壓特性：電力電纜接地配置和屏蔽方法影響
風力發電系統常處于開闊高地，易遭受雷擊，其控制系統及敏感設備面臨由雷擊引發的高幅值瞬態過電壓威脅，嚴重時能導致設備損壞。針對一臺額定功率5 kW真型風力發電機開展了雷電流注入時電力電纜瞬態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三相電纜上的雷擊瞬態電壓波形。結果表明，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電壓，幅值在多數情況下的下降超過50%；在原有風機接地裝置基礎上接入外部接地網可降低地電位升，并使電纜瞬態電壓進一步下降超過50%。本研究為提升風力發電機電力電纜雷電防護能力提供了試驗依據。
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。統計數據顯示，雷擊是引發風力發電機組超過40%電力損失事故和20%以上停機時間的主要外因。雷擊產生的高幅值瞬態電壓和地電位升高對風電系統中的電力和通信系統構成嚴重威脅。深入理解雷擊過程中的瞬態電壓特性對提升系統雷擊防護水平具有重要意義。本文通過現場試驗，研究了一臺5 kW真型風力發電機在雷電流作用下的瞬態電壓響應特性，分析了不同接地配置、電纜負載狀態及屏蔽層接地方式對電纜瞬態電壓與地電位升高的影響。
二、研究方法
搭建的現場試驗平臺如圖1，主要由四個部分構成：風力發電機、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。控制室內配置有控制器、電池組、逆變器及交流負載，本文中統稱為“負載”。圖2(d)為試驗采用的接地系統結構。風機的接地系統設置有兩種模式：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電氣連接；在獨立接地模式下，風機接地裝置與外部接地網斷開。
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，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。測量點分別布設于風機控制箱與控制室，獲取電纜首端與末端的瞬態電壓響應，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
表1 風機三相電纜的負載和屏蔽層接地狀態
三、研究結果
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典型的單極性脈沖特征，參數存在顯著差異，歸因于回路中總沖擊阻抗（即沖擊發生器輸出回路負載）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上基本一致，以B相為代表進行分析。根據表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為主要波形參數的對比分析。結果表明，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
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
圖7 獨立接地模式下電纜電壓參數對比（a）峰值（b）上升時間（c）半峰寬
圖8 互聯接地模式下電纜末、首端電壓波形
四、結論
（1）接地模式對電纜電壓的幅值與時間特性具有顯著影響。相比獨立接地模式，風機接地裝置與外部接地網連接可顯著降低接地電位升高幅值與沖擊接地阻抗，在多數工況下實現三相電纜電壓幅值降低超過50%，電壓持續時間明顯縮短。
請先 登錄后發表評論 ~