謝炫穎,林奕平,劉樹(shù)鋒,王文豪

(1.廣東省新豐縣氣象局,新豐 511100;2.廣東省韶關(guān)市氣象局,韶關(guān) 512000;3.華南理工大學(xué),廣州 510000)

0 引言

在能源危機(jī)和生態(tài)保護(hù)的雙重背景下,推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型已成為全球共識(shí)。風(fēng)能屬于清潔能源,分布廣泛且可再生,具有廣闊的應(yīng)用前景,目前全球風(fēng)電裝機(jī)總量已達(dá)到898,800 MW[1-3]。風(fēng)電場(chǎng)在運(yùn)行過(guò)程中,難免遭受雷擊,從而影響風(fēng)電場(chǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[4-5]。風(fēng)機(jī)塔基是接地系統(tǒng)與塔筒的連接部分,該處安裝有風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng),因此對(duì)風(fēng)機(jī)塔基進(jìn)行雷電暫態(tài)分析,了解風(fēng)機(jī)塔基暫態(tài)電壓分布情況具有重要意義。

雷電暫態(tài)分析能夠指導(dǎo)風(fēng)電機(jī)的雷電防護(hù)工作,國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。姜龍杰等[6]對(duì)風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)雷電沖擊特性的影響因素進(jìn)行了分析,并利用Matlab軟件進(jìn)行了仿真計(jì)算,得到了風(fēng)電機(jī)接地系統(tǒng)雷電沖擊特性規(guī)律,提出了針對(duì)多年凍土地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的雷電防護(hù)措施;張萍等[7]分析了風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)尺寸、形狀和土壤電阻率對(duì)風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)雷擊暫態(tài)電位的影響,并利用EMTP軟件進(jìn)行了仿真分析,結(jié)果表明,風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段應(yīng)選型適當(dāng);唐力等[8]在CDEGS軟件中搭建了風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)仿真模型,研究了雷電波形、接地裝置埋設(shè)深度、土壤電阻率等因素對(duì)風(fēng)電機(jī)接地網(wǎng)沖擊特性的影響,仿真結(jié)果對(duì)風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

文章對(duì)風(fēng)電場(chǎng)整體布局進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)機(jī)葉片、塔筒和接地裝置進(jìn)行了建模,采用ATP-EMTP軟件對(duì)風(fēng)機(jī)塔基進(jìn)行雷電暫態(tài)分析,對(duì)風(fēng)機(jī)塔基雷電暫態(tài)電壓的分布情況進(jìn)行了研究。

1 ATP-EMTP軟件介紹

ATP-EMTP是一款非常重要的電磁場(chǎng)仿真軟件,在全球范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛。ATP-EMTP軟件在中國(guó),目前主要應(yīng)用于超高、特高壓工程領(lǐng)域,對(duì)中國(guó)超、特高壓的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。對(duì)繼電保護(hù)、過(guò)電壓、高壓直流輸電、電能質(zhì)量、絕緣配合等的電磁仿真,均離不開(kāi)ATP-EMTP軟件,該軟件的計(jì)算精度得到了國(guó)際電工組織的認(rèn)可。

ATP-EMTP軟件不僅可以用于電磁穩(wěn)態(tài)分析,也可用于暫態(tài)分析。該軟件的原理是根據(jù)仿真對(duì)象的工作方式、系統(tǒng)屬性、開(kāi)關(guān)參數(shù)等,將其等效為串并聯(lián)電路,并對(duì)一些分布參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。為了解決ATP-EMTP軟件只能識(shí)別固定格式的問(wèn)題,專(zhuān)家學(xué)者們提出了采用ATP-Draw對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行前處理的方案。ATP-EMTP軟件中包含許多電力系統(tǒng)仿真所用的電氣元件。

2 風(fēng)電場(chǎng)總體布局

風(fēng)電場(chǎng)由風(fēng)機(jī)、變壓器、輸電線路、接地網(wǎng)等設(shè)備組成,圖1為風(fēng)電場(chǎng)電氣設(shè)備布局圖。風(fēng)機(jī)輸出的電壓首先在升壓箱變處升壓至10 kV,其次被輸送至風(fēng)電場(chǎng)變電站的低壓側(cè),最后由變壓器升壓至更高等級(jí)電壓并接入電網(wǎng)。

1—風(fēng)機(jī)基礎(chǔ);2—接地網(wǎng);3—輸入端;4—升壓箱變;5—輸出端;6—變電站。圖1 風(fēng)電場(chǎng)電氣設(shè)備布局

風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)由多根接地體組成,通常呈正多邊形或圓環(huán)狀,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。為了降低接地電阻,風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與圓環(huán)接地網(wǎng)相連,其周?chē)€敷設(shè)有一定數(shù)量的垂直接地極。雷擊風(fēng)機(jī)時(shí),雷電流先后經(jīng)過(guò)葉片、塔筒,最終通過(guò)接地網(wǎng)導(dǎo)入大地,在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的感應(yīng)過(guò)電壓,當(dāng)接地系統(tǒng)阻抗較大時(shí)還會(huì)形成反擊。

1—風(fēng)機(jī)基礎(chǔ);2—水平接地環(huán);3—塔筒;4—地面;5—垂直接地極。圖2 風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 雷電流模型

研究表明,自然界中的雷電流大多為負(fù)極性,具有快速上升和緩慢下降的特點(diǎn),對(duì)電氣設(shè)備危害較大。文章采用負(fù)極性雷電流進(jìn)行風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)雷電暫態(tài)分析,其波形如圖3所示。在圖3中,Im為雷電流幅值,表示雷電的峰值電流,是決定雷電危害性的重要參數(shù);tf為波頭時(shí)間,表示雷電流從零上升至峰值電流的時(shí)間,tf越短,對(duì)風(fēng)機(jī)危害越大;tt為波尾時(shí)間,表示雷電流從峰值電流下降至0.5Im的時(shí)間,波尾時(shí)間決定了雷電流的下降速度,tt越大,雷電流能量越大。

圖3 雷電流波形

雷電流暫態(tài)分析通常使用Heidler模型[9]。其表達(dá)式如式(1)所示:

(1)

式中,Im為峰值電流;η為電流修正系數(shù),取值為2或10;τ1為波頭時(shí)間常數(shù);τ2為波尾時(shí)間常數(shù);n為電流陡度因子;e=2.718。

4 風(fēng)機(jī)暫態(tài)模型

研究表明,風(fēng)機(jī)葉片、塔筒和接地系統(tǒng)均可以等效為含有電阻、電抗、電容和電感的π型電路[10]。

4.1 風(fēng)機(jī)葉片模型

風(fēng)機(jī)葉片較長(zhǎng),建模時(shí)通常進(jìn)行分段處理,分段后的風(fēng)機(jī)葉片等效電路中電阻Rb、電抗Zb、電容Cb和電感Lb的計(jì)算公式分別如式(2)～(5)所示:

(2)

(3)

Cb=2πε0l1/(v1+v2)

(4)

Lb=μ0ε0/Cb

(5)

式中,ρ1為風(fēng)機(jī)葉片電阻率(單位:Ω·m);l1為葉片長(zhǎng)度(單位:m);r1為風(fēng)機(jī)葉片半徑(單位:m);μ0為真空的導(dǎo)磁率(單位:H/m);v1和v2均為葉片長(zhǎng)細(xì)比系數(shù);ε0為真空的介電常數(shù)(單位:F/m)。

4.2 風(fēng)機(jī)塔筒模型

風(fēng)機(jī)塔筒較高,建模時(shí)通常進(jìn)行分層處理,分層后的風(fēng)機(jī)葉片等效電路中電阻Rn、電抗Zn、電容Cn和電感Ln的計(jì)算公式分別如式(6)～(9)所示:

Rn=ρ2Hev/S

(6)

(7)

(8)

(9)

式中,ρ2為風(fēng)機(jī)塔筒電阻率(單位:Ω·m);Hev為塔筒分層后的高度(單位:m);S為塔筒截面積(單位:m2);μ為塔筒材料導(dǎo)磁率(單位:H/m);a為塔筒內(nèi)外徑比例系數(shù);req為塔筒等效電阻(單位:Ω)。

4.3 風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)模型

風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)通常采用單樁式基礎(chǔ),忽略各段導(dǎo)體之間感性電阻和容性電阻的影響,則風(fēng)機(jī)單位接地體對(duì)地電感Lgv、電容Cgv和電導(dǎo)Ggv分別如式(10)～(12)所示:

(10)

(11)

(12)

式中,rg為導(dǎo)體半徑(單位:m);lg為導(dǎo)體長(zhǎng)度(單位:m);ε1為土壤介電常數(shù)(單位:F/m)。

5 雷擊風(fēng)機(jī)塔基暫態(tài)分析

風(fēng)機(jī)塔基是接地系統(tǒng)與塔筒的連接部分,其上接塔筒,下連接地系統(tǒng),在遭遇雷擊時(shí)的電位變化與塔筒有所不同。文章利用ATP-EMTP軟件對(duì)雷擊塔基處的首次雷擊暫態(tài)電位和繼后回?fù)魰簯B(tài)電位變化情況進(jìn)行仿真分析。文章中的風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)采用“八邊形”式,其水平接地體和垂直接地體的長(zhǎng)度分別為6 m和1.5 m,半徑均為0.008 m,埋設(shè)深度為1.5 m。

依照ICE和中國(guó)現(xiàn)行規(guī)范GB 50057-2010的要求,對(duì)首次雷擊和繼后回?fù)舻睦纂娏鲄?shù)進(jìn)行設(shè)置(表1)。

表1 首次雷擊和繼后回?fù)舻睦纂娏鲄?shù)

在ATP-EMTP軟件中進(jìn)行仿真分析,首次雷擊和繼后回?fù)羲鶗r(shí)的暫態(tài)電壓變化情況分別如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知,首次雷擊和繼后回?fù)羲鶗r(shí)暫態(tài)電壓變化趨勢(shì)基本一致,均在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值,然后以阻尼振蕩的形式衰減,最終暫態(tài)電壓衰減至零。

圖4 首次雷擊塔基暫態(tài)電壓變化

根據(jù)首次雷擊和繼后回?fù)羲鶗r(shí)的暫態(tài)電壓峰值及達(dá)到峰值所需時(shí)間的分布情況(表2)可知,首次雷擊和繼后回?fù)羲鶗r(shí)暫態(tài)電壓的峰值分別為46,529.25 V和20,295.13 V,均達(dá)到了萬(wàn)伏級(jí)別。繼后回?fù)魰簯B(tài)電壓峰值為首次雷擊暫態(tài)電壓峰值的43.62%,可見(jiàn)雷擊塔基時(shí)不僅會(huì)在首次雷擊時(shí)產(chǎn)生高電壓,繼后回?fù)魰r(shí)仍能產(chǎn)生較高的電壓。從達(dá)到峰值電壓所需時(shí)間上看,首次雷擊和繼后回?fù)魰r(shí)達(dá)到峰值電壓所需時(shí)間分別為4.52×10-4ms和2.82×10-4ms,相比首次雷擊,繼后回?fù)暨_(dá)到峰值電壓所需時(shí)間縮短了1.70×10-4ms,由此可見(jiàn),雷擊塔基時(shí),除了首次雷擊會(huì)給塔基造成安全隱患外,繼后回?fù)魡?wèn)題同樣不可忽視,在設(shè)計(jì)階段風(fēng)機(jī)塔基的防雷保護(hù)問(wèn)題應(yīng)當(dāng)引起重視。

表2 兩次雷擊塔基時(shí)暫態(tài)電壓峰值和時(shí)間

6 結(jié)束語(yǔ)

文章采用ATP-EMTP軟件對(duì)雷擊塔基處的首次雷擊和繼后回?fù)魰簯B(tài)電壓變化情況進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明,首次雷擊和繼后回?fù)魰r(shí)均會(huì)產(chǎn)生萬(wàn)伏級(jí)別的暫態(tài)電壓,暫態(tài)電壓的變化趨勢(shì)基本一致,均在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值,然后以阻尼振蕩的形式衰減,最終暫態(tài)電壓衰減至零。相比首次雷擊,繼后回?fù)魰簯B(tài)電壓峰值為首次雷擊暫態(tài)電壓峰值的43.62%,達(dá)到峰值電壓所需時(shí)間縮短了1.70×10-4ms,因此雷擊塔基的繼后回?fù)魡?wèn)題不可忽視,在設(shè)計(jì)階段風(fēng)機(jī)塔基的防雷保護(hù)問(wèn)題應(yīng)當(dāng)引起重視。