风力发电系统雷击时电力电缆瞬态电压特性：电力电缆接地配置和屏蔽方法影响
风力发电系统常处于开阔高地，易遭受雷击，其控制系统及敏感设备面临由雷击引发的高幅值瞬态过电压威胁，严重时能导致设备损坏。针对一台额定功率5 kW真型风力发电机开展了雷电流注入时电力电缆瞬态响应特性的实验研究，在多种运行条件及电缆屏蔽层不同接地方式下，测量了塔筒底部与控制室内三相电缆上的雷击瞬态电压波形。结果表明，接入负载可有效降低电缆末端电压幅值，相应导致电缆首端电压升高；将电缆屏蔽层接地可显著抑制电缆上瞬态电压，幅值在多数情况下的下降超过50%；在原有风机接地装置基础上接入外部接地网可降低地电位升，并使电缆瞬态电压进一步下降超过50%。本研究为提升风力发电机电力电缆雷电防护能力提供了试验依据。
一、研究背景
随着风电装机容量不断提升，其运行可靠性与安全性问题日益突出。统计数据显示，雷击是引发风力发电机组超过40%电力损失事故和20%以上停机时间的主要外因。雷击产生的高幅值瞬态电压和地电位升高对风电系统中的电力和通信系统构成严重威胁。深入理解雷击过程中的瞬态电压特性对提升系统雷击防护水平具有重要意义。本文通过现场试验，研究了一台5 kW真型风力发电机在雷电流作用下的瞬态电压响应特性，分析了不同接地配置、电缆负载状态及屏蔽层接地方式对电缆瞬态电压与地电位升高的影响。
二、研究方法
搭建的现场试验平台如图1，主要由四个部分构成：风力发电机、控制箱、埋地电力电缆和控制室。风机塔筒高9 m，额定输出功率5 kW，输出电能通过控制箱和埋地电缆传输至控制室。试验布置如图2，图2(a)为整体布局，图2(b)和图2(c)为控制箱与控制室的接线配置。控制室内配置有控制器、电池组、逆变器及交流负载，本文中统称为“负载”。图2(d)为试验采用的接地系统结构。风机的接地系统设置有两种模式：独立接地模式与互连接地模式。在互连接地配置下，风机接地装置通过导体与外部接地网电气连接；在独立接地模式下，风机接地装置与外部接地网断开。
为模拟雷电流直击情形，雷电冲击电流从风机叶片上的接闪器注入系统，以风机接地装置与参考“零电位点”之间的电位差表示地电位升高。测量点分别布设于风机控制箱与控制室，获取电缆首端与末端的瞬态电压响应，用于分析雷电冲击下电缆电压分布特性及地电位升高影响。
图2 试验布置（a）试验场地（b）控制箱接线（c）控制室接线（d）风机接地系统
表1 风机三相电缆的负载和屏蔽层接地状态
三、研究结果
图3为在独立接地与互连接地两种模式下的注入电流波形。两种接地模式下的电流波形均呈现典型的单极性脉冲特征，参数存在显著差异，归因于回路中总冲击阻抗（即冲击发生器输出回路负载）影响。在图4所示的地电位升高波形中，相较于独立接地模式，互连接地模式下的地电位升高幅值下降了63.6%，10–90%上升时间缩短了90%，半峰宽度减少了93.6%，互连接地可有效抑制地电位的快速上升与持续时间。不同接地模式下风机的冲击接地阻抗亦存在显著差异。按瞬态电压幅值与注入电流幅值的比值定义，独立接地模式下的冲击接地阻抗为29.8 Ω，互连接地模式下降至11.9 Ω。
图5所示为三相电缆末端电压波形，三相波形在整体形态上基本一致，以B相为代表进行分析。根据表1四种实验工况，图6展示了独立接地模式下电缆首末端的电压波形，图7为主要波形参数的对比分析。结果表明，电缆末端电压的极性与注入电流极性相反，且与电缆首端电压的极性亦相反。在工况4中，末端电压幅值达到最大，在工况2与工况3中，幅值分别降低了68.7%与73.1%。工况1中，由于电缆屏蔽层接地且负载连接，末端电压幅值降至最小值。首端电压方面，与工况2相比，工况1与工况4分别降低了73.0%与8.0%。
图3 注入电流波形和参数
图4 地电位升高（GPR）波形
图5 电缆末端三相电压
图6 独立接地模式下电缆电压波形
图7 独立接地模式下电缆电压参数对比（a）峰值（b）上升时间（c）半峰宽
图8 互联接地模式下电缆末、首端电压波形
四、结论
（1）接地模式对电缆电压的幅值与时间特性具有显著影响。相比独立接地模式，风机接地装置与外部接地网连接可显著降低接地电位升高幅值与冲击接地阻抗，在多数工况下实现三相电缆电压幅值降低超过50%，电压持续时间明显缩短。
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