风电机组塔体的雷电暂态计算模型

　　引 言

　　近几年来，随着风力发电技术的迅速发展，风电机组的安全运行问题越来越受到人们的关注。雷击是影响风电机组安全运行的一个重要因素。出于对较好的风力资源的需求，风电机组通常建造于空旷的地区，并且其高度也越来越高，因此很容易受到雷击。据统计数据显示，风机受雷击的概率大约为 5%~8%[1]。当机组遭受到雷击后，强大的雷电流将沿塔体传输，并经基础中的接地体泄入大地。在这一电磁暂态过程中，塔体的电位将被抬高，同时塔内耦合的电磁场也将在塔内安装的设备及导线上感应出电涌过电压，将损坏电子、电气设备。塔内的电磁场还会干扰电子设备的正常运行，危及到系统的安全稳定。因此抑制风电机组塔体的雷电暂态效应已在防雷设计中受到广泛的关注。为了采取有效的保护措施，预测塔上的雷电暂态响应就显得尤为重要。本文提出了一种计算风电机组塔体雷击暂态响应的数值模型。首先利用线网结构将塔体划分成数个单元[2]，每一单元用具有电阻、耦合电感和耦合电容的支路进行建模，进而形成整个塔体的等效电网络。文中考虑了大地的存在，对塔体上各支路的电气参数计算公式进行了详细推导。为计算塔上每一点处的暂态电势及每一条支路上的暂态电流，将塔体进一步等效为其暂态等值计算电路[6]。在计算出相应的参数后，通过暂态电路分析得到塔体上的暂态响应。

　　1 风电机组塔体模型及其电路参数

　　1.1 模型的建立

　　风电机组的塔体一般为“上小下大”的管状金属结构，但是由于塔体上、下半径的变化与其高度相比要小的多，因此为简化计算，将风电机组的塔体视为圆柱体，并以塔体上下底面半径的平均值作为该圆柱体的半径，如图 1(a)所示。雷电流流经塔体泄散入地时，会在其上产生暂态的电压和电流，为计算塔体上任一点的暂态响应分布，现将塔体表面用网线进行划分[2-4]，如图 1(b)所示。划分后每一段导体的最大长度 l 应小于注入雷电波最小波长的十分之一。图 1(c)中给出了任一段导体的各电气参数，其中 R 表示电阻矩阵，L表示耦合的电感矩阵，C 表示耦合的电容矩阵。

　　图 1 塔体模型

　　1.2 电路参数的计算

　　实际上，划分后的每一段导体是前、后两侧面为弧面的棱体，由于该棱体的截面边长与其长度相比要小的多，为了简化计算，因此每一段被划分的导体可等效为圆柱体[2-4]，圆柱体的等值半径可按2a = p /π计算，p 是塔体的厚度。

　　每一段导体可视为一 RLC 支路。支路电阻认为是常数并等于其直流值，计算公式[2]为20R = l /σπa。此处 l 为导体的长度，σ 为塔体中金属的传导率。