接地系统互连风场雷电浪涌分析

雷电对风电场的正常运行构成了严重威胁,需要详细研究雷电浪涌对其危害。利用PSCAD软件搭建简单风电场模型,分析风机塔筒高度对塔底雷击暂态电位的影响,讨论接地系统互连情况下连接电缆敷设方式、雷击点位置、土壤电阻率对浪涌传播的影响。仿真结果表明:风机塔筒越高,塔底雷击暂态电位越大,波形振荡越明显;接地系统互连能够降低塔底暂态电位,但效果并不显著,连接电缆敷设方式对于降低暂态电位幅值几乎没有效果;采用互连接地系统时,浪涌会传播至其他相连风机,距离雷击点越远的风机,塔底入地电流和暂态电位幅值越低;土壤电阻率增大,塔底雷击暂态电位越大,过电压会对变压器等设备绝缘产生危害,需要尽可能采取措施降低塔筒接地电阻。     

海洋环境对海上风场接地系统雷击暂态特性影响研究

海上风力发电产业的蓬勃发展面临日益严重的雷电灾害威胁,为有效指导海上风电机组的雷电防护研究,需要研究海洋环境对海上风场接地系统雷击特性的影响。利用PSCAD软件搭建简化海上风场模型,讨论海洋土壤分层环境下上层海水深度和下层土壤电阻率对风机接地系统雷击暂态响应的影响,分析增加接地体长度对于降低暂态过电压的效果。仿真结果表明:风机遭受雷击后,浪涌会传播至其他相连风机,距离雷击点越远的风机,塔底暂态电位幅值越低。下层海床土壤电阻率越大,风机塔底暂态电位幅值越高。上层海水深度越大,风机塔底暂态电位幅值越小。上层海水电阻率固定时,风机塔底暂态电位随着土壤反射系数的增大而增加。随着接地体长度的增加,风机塔底暂态电位逐渐降低,但降低趋势趋缓,且受下层海床土壤电阻率的影响增大。     

海上风电场电缆-架空线输电系统雷击过电压暂态分析

为了研究大型海上风电场海底电缆-架空线输电系统雷击过电压的问题,在充分研究输电系统结构的基础上,使用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建暂态计算模型。考虑工频电压对雷击过电压的影响,重点研究分析了电缆长度、杆塔接地电阻、雷击距离、雷电流幅值等因素对暂态过电压的影响及其原因。仿真结果和分析表明:杆塔接地电阻和雷电流幅值的增大、雷击距离和电缆长度的减小会导致雷击过电压的增大。考虑避雷器的优化配置,能有效抑制海底电缆首末两端的过电压幅值,相关结论为海上风电场电气系统的防雷绝缘设计提供了一定参考。     

考虑雷电过电压的风电机组拓扑结构优化

风力发电机遭受雷击时,塔筒内控制电缆、塔基处以及箱式变压器低/高压侧都会出现过电压,且过电压还会通过集电电缆和联合接地装置传到其他风电机组.为研究雷击风电场时引起的暂态电压,建立了包含风力发电机、集电电缆、箱式变压器的等效模型.考虑了雷电流参数、风力发电机接地电阻大小及风电场拓扑结构对风电场过电压影响.结果 表明:单台风电机组遭受雷击的情况下,风电机组过电压值与雷电流幅值成正比,且波前时间为8.0 μs和20.0μs时,雷电流幅值对控制电缆缆芯过电压影响很小;风电机组过电压值与波前时间成反比,且雷电流幅值为100 kA时箱式变压器高压侧过电压受波前时间影响很小;过电压值与接地电阻正相关,但接地电阻越大,正相关系数越小.多台风电机组联合的风电场遭受雷击情况下,直接遭受雷击的风电机组中会产生很高的过电压,越远离雷击点的机组中过电压越小,链形结构风电场中有停运风险的机组最少,所以仅考虑雷击风电机组的情况下,链形结构为风电场最优拓扑结构.     

基于有限元法的埋地电缆防雷屏蔽线防护效果分析

为了提高埋地电缆雷电防护的有效性,必须详细分析防雷屏蔽线的防护效果。利用电气几何模型分析防雷屏蔽线对埋地电缆的防护原理,通过COMSOL软件建立有限元模型计算敷设防雷屏蔽线前后的电缆周围电位与电场强度,分析土壤电阻率、屏蔽线与电缆间距、屏蔽线尺寸等参数对防护效果的影响,最后讨论土壤分层情况下土壤电阻率对电缆电位与电场强度的影响。分析结果表明:埋地电缆周围电压和电场均随着土壤电阻率的增加而增大;敷设屏蔽线后,电缆周围电压和电场能够得到有效抑制。防雷屏蔽线的半径越大,防护效果越明显,但并非随着半径的增大无限制增加。当雷击点与电缆间距较远时,屏蔽线的保护效果随着与电缆间距的增加而降低,但屏蔽线与电缆需要保持一定间距以防止闪络放电。双层土壤结构下,下层土壤电阻率小于上层时,电缆周围电位与电场强度较均匀土壤情况有所下降,反之则增加的非常明显。埋地电缆和防雷屏蔽线的敷设需要尽量避开高土壤电阻率区域。     

雷击临近建筑物土壤散流引发配电线路雷电过电压及防护

为研究雷击配电线路附近建筑物时,土壤散流引发配电线路雷电过电压及防护效果,采用专业防雷计算软件CDEGS建立建筑接地网及临近配电线路雷电过电压仿真模型,分析了配电线路与临近建筑接地网间距、土壤电阻率、雷电流幅值和配电线路接地网长度对配电线路上雷电过电压的影响,并仿真验证了引流法和绝缘间隔法的防护效果。研究结果表明：配电线路电位随间距的增大而减小,随土壤电阻率和雷电流幅值的增大而线性增大,受配电线路接地网长度影响不大;引流法和绝缘间隔法能有效地降低配电线路接地体上电位,水平外延法引流降压效果更好,可以将配电线路接地体上电位降到56 kV以下,有效地避免雷电反击事故发生的概率。本研究可为实际配电线路雷电过电压和防护提供参考。     

配电变压器雷害绝缘故障影响因素及其防护措施研究

配电变压器的安全运行面临着严重的雷害威胁,需要合理分析其雷害绝缘故障影响因素。通过EMTP软件计算配电变压器遭受的雷电直击过电压和感应过电压,根据雷电过电压和绝缘故障出现的随机特性,利用区间组合统计法考虑雷电流幅值、雷电流波头陡度、雷击方位等因素的影响,计算配电变压器雷害绝缘故障概率。讨论线路安装避雷器、变压器高压侧安装避雷器对于降低配电变压器雷害绝缘故障的防护效果。分析结果表明:配电变压器雷电过电压波形均存在一定程度振荡,感应过电压波形振荡更为剧烈,但雷电直击过电压对变压器绝缘危害更大;配电变压器过电压概率密度分布曲线随着雷电流波头时间的减小、雷击点距线路水平距离的减小而整体右移,出现高幅值过电压的概率增大,导致变压器绝缘故障概率随着波头时间的减小、雷击点距线路水平距离的减小而增大。配电线路和变压器高压侧安装避雷器能够有效减少变压器雷害绝缘故障,但防护效果受接地电阻影响非常大,因此需要尽可能降低避雷器接地电阻以减少绝缘故障。     

考虑多基杆塔接地散流线路临近管道雷击过电压研究

由于目前输电线路与管道常交叉、并行架设，当雷击杆塔时雷电流会沿杆塔两侧避雷线流向相邻多基杆塔，而杆塔接地散流不可避免会对临近管道产生过电压影响。针对多基杆塔接地散流下管道过电压进行仿真计算并提出管道过电压防护方法。首先利用电磁暂态软件ATP-EMTP搭建输电线路雷电暂态计算模型，计算不同土壤电阻率下多基杆塔雷电流分布特征；然后基于多基杆塔雷电流分布特征，搭建多基杆塔接地网-油气管道散流计算模型，计算分析土壤电阻率、“管-线”间距及雷电流幅值等因素对管道过电压的影响；最后对比分析“接地排流线”、“迫向换流”等方式对管道过电压的防护效果。研究结果表明：土壤电阻率增加使杆塔接地电阻变大，从而使得杆塔分流系数会逐渐减小；相较单基杆塔模型，考虑多基杆塔接地散流会加剧管道过电压问题，土壤电阻率和雷电流幅值增加将导致管道过电压升高，“管-线”间距增加会导致管道过电压降低；敷设排流线和采用迫向换流等方式均可有效降低管道电位。     

500kV线路杆塔雷电冲击全波电磁暂态特性研究

为了研究土壤电阻率、雷电流幅值以及波前时间等不同因素对500kV线路杆塔在雷击时杆塔全波电磁特性的影响,建立了线路-杆塔-接地极一体化模型,计算了雷电冲击下考虑不同雷电流参数、土壤电阻率参数的500kV输电线路杆塔电磁暂态特性影响。计算结果表明,避雷线分流大小随着土壤电阻率和雷电流幅值的增加而增加,波前时间的改变对其影响较小;通过引下线向土壤散流的电流随着土壤电阻率的减小和雷电流幅值的增大而增大;接地体电压和横担电压均随着土壤电阻率和雷电流幅值的增加而增加,并不改变峰值出现时刻,波前时间的改变会同时改变峰值和出现时刻。     

10kV配电线路雷电感应过电压分布特性计算研究

配电线路的绝缘水平较低,线路易受雷击影响产生雷电过电压进而导致闪络等故障,由雷电感应过电压导致的故障占线路故障总数的90%以上。本文研究了一种仿真计算配电线路雷电感应过电压的方法并分析了6种不同因素对配电线路雷电感应过电压的影响。为计算雷电感应过电压,本文选择TL模型作为雷电通道模型,选择Agrawal模型作为场线耦合模型,根据所选数学模型在ATP-EMTP中搭建出仿真模型对雷电感应过电压进行仿真计算,结果表明:雷击点距线路中点最近时线路中点雷电感应过电压是线路最大雷电感应过电压。通过仿真时改变影响因素的数值得到,雷电感应过电压幅值随雷电流幅值的增大而增大,随雷电回击速度的增大而增大,随雷击点到线路距离的增大而减小,随雷电流波头时间的增大而减小,随线路高度的增大而增大,随土壤电导率的增大而减小。研究结果对配网雷电防护具有实际工程意义。     

雷电对埋地光纤的危害及其防护分析

为了对埋地光纤进行有效雷电防护,必须合理分析雷电对其危害和具体防护措施的防护效果。分析了雷电对埋地光纤的危害途径及其危害机理,利用蒙特卡洛模拟法计算埋地光纤年预计雷击损坏次数和累积损坏概率,讨论土壤电阻率和光纤耐雷水平对损坏概率的影响,最后探讨防雷屏蔽线对埋地光纤的屏蔽防护效果。分析结果表明:埋地光纤的年预计雷击损坏次数随着土壤电阻率的增加而增大,随着光纤耐雷水平的增大而减小;土壤电阻率对埋地光纤的累积损坏概率影响非常大,高土壤电阻率下的光纤累积损坏概率远高于低土壤电阻率情况;防雷屏蔽线的雷电分流比随着距正对电流注入点距离的增加呈现出先增大后减小的变化趋势;单根防雷屏蔽线可以分流约50%的入地电流。安装防雷屏蔽线能够有效降低埋地光纤的损坏概率。     

基于PSCAD的独立光储微电网雷电感应过电压防护研究

光储微电网是解决偏远地区供电问题的重要手段,有必要做好雷电感应过电压防护以确保系统长期稳定运行。利用PSCAD软件搭建独立光储微电网仿真电路模型,计算微电网内埋地电缆雷电感应过电压,分析感应过电压在系统直流侧和交流侧的传递特性,讨论电缆埋深和电缆长度对过电压幅值的影响,最后分析安装SPD防护效果。研究结果表明：当独立光储微电网直流侧发生雷击时,埋地电缆感应产生较高幅值的过电压,过电压沿线缆传递至光伏阵列和储能系统,交流侧设备不受影响,同样,当交流侧发生雷击时,电缆感应过电压传递至逆变器交流侧和箱变前端,直流侧设备不受影响。电缆埋得越深,传递至光储微电网主要部件的感应过电压衰减越厉害。随着光伏阵列与逆变器、逆变器与箱变间连接电缆长度的增加,光伏阵列过电压减小,储能电池和箱变前端过电压增大,逆变器交流侧过电压则变化不大。在独立光储微电网系统主要部件前端安装SPD后,感应过电压得到有效遏制,能够实现对内部电气电子元件的精密防护。     

地网暂态过电压对牵引变电所二次设备干扰规律性分析

利用电磁暂态分析软件联合搭建电缆—地网暂态模型,意在对工程实践中典型地网布置方式下地电位干扰规律进行定量分析,研究表明:二次电缆干扰电压明显受雷电流幅值、土壤电阻率、电缆布置方式、接地铜排及电缆接地方式影响;随着土壤电阻率、雷电流幅值及电缆长度增加,干扰电压显著增加;为降低干扰电压,电缆敷设长度应尽可能短且应沿地网中部敷设;同时,研究发现电缆沟中接地铜排可以明显提高二次电缆抗干扰能力,当接地铜排采用方案二布置,电缆采用末端接地时,抗干扰效果最好。     

风机接地系统雷击暂态特性分析

良好的风机接地系统对于风电机组的雷电防护至关重要,必须详细研究风机接地系统的雷击暂态特性。利用EMTP软件建立风机叶片、塔筒和接地系统模型,考虑雷电流冲击作用下接地体的散流特性和火花效应,分析地网暂态电位变化规律。讨论土壤电阻率、地网尺寸、地网形状对接地系统雷击暂态电位的影响,分析引外接地对于降低暂态电位的效果。分析结果表明:冲击电流引起的火花效应能够降低接地系统的冲击接地电阻;地网中心暂态电位随着土壤电阻率的增大而增加;地网尺寸越大、边数越多,接地系统雷击暂态电位越小,但是暂态电位下降幅度越来越缓;引外接地能够有效降低冲击接地电阻,但引外接地长度不应超过有效长度。地网尺寸、规模并非越大越好,进行风机地网设计需要选取恰当型式。     

屋顶光伏发电系统雷击浪涌防护

屋顶式光伏发电系统应用前景广泛,对其供电可靠稳定性的要求也越来越高,因此做好屋顶光伏发电系统的雷击浪涌防护至关重要。分析了屋顶光伏发电系统雷击浪涌危害途径,利用EMTP软件搭建外部防雷系统和光伏发电系统等效电路模型,计算雷击接闪器时光伏发电系统浪涌过电压,讨论雷电流幅值、接地电阻和SPD保护模式对降低雷击浪涌危害的防护效果。分析结果表明:雷击建筑外部接闪器时,绝大部分雷电流经由引下线泄散,流经直流电缆的雷电流较小;光伏阵列和逆变器过电压随着雷击电流幅值和接地电阻的增大而增加;在直流电缆正极、负极与引下线之间均安装SPD能够取得最好的防护效果,逆变器端口电位差最小。屋顶光伏发电系统雷击浪涌防护需要良好的接地和充分的SPD防护。     

风机接地系统雷击暂态特性分析

良好的风机接地系统对于风电机组的雷电防护至关重要,必须详细研究风机接地系统的雷击暂态特性。利用EMTP软件建立风机叶片、塔筒和接地系统模型,考虑雷电流冲击作用下接地体的散流特性和火花效应,分析地网暂态电位变化规律。讨论土壤电阻率、地网尺寸、地网形状对接地系统雷击暂态电位的影响,分析引外接地对于降低暂态电位的效果。分析结果表明:冲击电流引起的火花效应能够降低接地系统的冲击接地电阻;地网中心暂态电位随着土壤电阻率的增大而增加;地网尺寸越大、边数越多,接地系统雷击暂态电位越小,但是暂态电位下降幅度越来越缓;引外接地能够有效降低冲击接地电阻,但引外接地长度不应超过有效长度。地网尺寸、规模并非越大越好,进行风机地网设计需要选取恰当型式。     

配电线路雷电感应过电压的避雷器防护分析

雷电感应过电压导致配电线路发生跳闸或故障的比例要远高于雷电直击,因此需要分析采用线路避雷器对配电线路感应过电压的防护效果。利用EMTP软件编程计算线路雷电感应过电压,分析安装线路避雷器对感应过电压的防护效果,讨论雷电流幅值和雷击点距线路距离、避雷器安装间距、接地电阻对避雷器抑制感应过电压效果的影响。分析结果表明:配电线路安装线路避雷器后能够在一定程度抑制雷电感应过电压;雷电流幅值越高、雷击点距线路近,避雷器抑制感应过电压的效果越弱;避雷器安装间距影响对感应过电压的防护效果,安装越密,线路感应过电压降低越明显。接地电阻对避雷器感应过电压防护影响非常大,过高的接地电阻会严重削弱避雷器对感应过电压的抑制效果,因此需要尽可能降低避雷器接地电阻。     

雷击高层建筑时的电磁兼容问题

高层建筑遭受雷击的概率远高于低矮建筑物，发生雷击时，雷电流造成建筑物内层间和同层内各处电位严重不等，并通过电磁耦合在电源线和通信电缆中感应出高频的电流和电压波。笔者对1幢28层高层建筑遭雷击时的电磁兼容问题进行了分析，结果表明，电缆上感应的电压可能引起电缆对地放电及电缆内部芯线之间绝缘击穿。     

基于EMTP的配电系统终端雷电感应过电压防护分析

配电线路因雷电感应导致故障的比例要远高于雷电直击,因此需要合理分析配电系统终端的雷电感应过电压防护。通过EMTP中的MODEL模块编程计算线路雷电感应过电压,分析雷击点距线路垂直距离和回击速度对配电终端过电压的影响,讨论不同负载性质下终端过电压随低压线路长度趋势,最后分析配电终端前安装SPD的防护效果。分析结果表明:10 kV线路附近发生雷击时,传递至低压配电终端的雷电感应过电压幅值仍然较高,会超过设备冲击耐受电压;配电终端雷电过电压随着雷击点距线路垂直距离的增加而降低,随着回击速度的增加而增大;配电终端过电压在阻性负载与感性负载幅值较小情况下随着220 V线路长度增加而降低,在容性负载情况下随着线路长度的增加而增大。配电终端前安装SPD后能够有效降低负载过电压,较好地保护终端设备。     

风机地网断点对雷击暂态特性影响

风机地网由于受腐蚀等因素影响可能会产生连接断点,需要分析断点对地网雷击暂态特性的影响。本研究首先分析电流频率对土壤电参数的影响,通过矢量匹配法结合最小二乘法拟合风机地网电路模型参数,导入ATP软件建立暂态电路仿真模型,计算雷电流作用下地网地电位抬升,分析不同地网断点方式对地网雷击地点位抬升和冲击阻抗的影响。研究结果表明：土壤电参数受周围流经电流频率影响明显,土壤电阻率和相对介电常数随着频率的增大而显著减小,在地网雷击暂态特性分析中必须予以考虑;低频范围内地网谐波阻抗近似等于工频电阻,随着频率的进一步增大,谐波阻抗呈现先减小后增大的变化趋势;土壤频变效应的存在使得地网中心地电位抬升低于恒定土壤参数情况,尤其是在高电阻率土壤中,从而也降低了地网的冲击阻抗和冲击系数。地网中心存在断点比拐角存在断点对雷击暂态特性的影响更大,地网中心存在断点提高了地网地电位抬升和冲击电阻峰值,拐角存在断点提高了地网稳态接地电阻。地网拐角存在断点时,垂直接地极的断点比水平接地极的断点更加影响电位分布。