计及风机影响的集电线路雷电感应过电压计算建模及综合防护策略研究

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由于特殊的能源利用情况,大部分风电场布置在风资源丰富的山区,据运行经验及国内外风电场故障统计,风电场雷击故障已严重威胁电网安全运行及供电可靠性。考虑到山区地形结构复杂、局部地区风电场风机安装密度较大,且风机高度已达到120m以上,远高于周围35k V集电线路杆塔的高度,受尖端放电的影响,雷电更容易击中高耸的风机,雷击风机的空间电磁场骤变对风电场二次设备造成电磁场干扰,严重情况下发生集电线路感应闪络故障。因此,有必要分析风电场雷电空间电磁场环境、集电线路感应过电压衰减特性以及考虑风机屏蔽、地形影响的集电线路雷击跳闸风险,旨在为山区风电场雷击防护工作提供科学建议。本文主要工作如下:(1)本文以云南大理某风电场具体工程数据为例,基于FDTD算法建立雷击风机的电磁场及感应电压模型并验证模型的可靠性,研究不同雷电流波形、不同风机底部反射系数、不同风机高度等因素对风机雷击近区多个观察点的电磁场暂态特性影响;(2)考虑不同雷电流波形、不同底部电流反射系数、不同杆塔高度、不同风机高度影响因素,对比分析雷击风机与雷击大地在不同水平距离下感应电压幅值衰减特性规律,为风机与杆塔位置建设提供防雷参考;(3)开展考虑风机屏蔽作用下的山区风电场35k V集电线路雷击跳闸风险评估,采用自然分级、层次分析法等精细化方法分析雷击跳闸原因并提出差异化防护方案。研究结果表明:(1)雷电流波前时间越短,雷电流在风机内部多次反射呈现幅值增大且多峰的衰减趋势,导致空间电磁场呈现多峰衰减规律;在垂直高度10m、30m、50m观察点,水平电场的幅值增益明显,垂直电场、磁场受高度影响不显著。(2)风机地网接地电阻随土壤电阻率增加而增大,造成底部反射电流系数减小,水平电场随土壤电阻率增大而增加,垂直电场、磁场随底部电流反射系数增加而增加。(3)随着风机高度增加,水平电场、磁场沿水平距离均呈现增强趋势,垂直电场在水平距离500m内呈现减弱趋势,在远区距离呈现增强趋势。(4)考虑风机屏蔽作用时,雷击风机比雷击大地感应电压增强20%~60%,且呈现多峰衰减趋势,感应电压受雷电流波形、底部电流反射系数、杆塔高度影响明显。(5)完成考虑风机屏蔽、地形结构的风电场42基杆塔(其中,5基杆塔受风机屏蔽)雷击跳闸风险评估,有54.76%的杆塔防雷效果较好,45.24%的杆塔防雷效果不理想;根据雷击跳闸原因精细化分析,提出了加装侧向避雷针、线路避雷器等综合雷电防护措施。
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