基于ATP-EMTP的風機塔基雷電暫態分析

謝炫穎,林奕平,劉樹鋒,王文豪

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

0 引言

在能源危機和生態保護的雙重背景下,推動能源轉型已成為全球共識。風能屬于清潔能源,分布廣泛且可再生,具有廣闊的應用前景,目前全球風電裝機總量已達到898,800 MW[1-3]。風電場在運行過程中,難免遭受雷擊,從而影響風電場安全穩定運行[4-5]。風機塔基是接地系統與塔筒的連接部分,該處安裝有風機控制系統,因此對風機塔基進行雷電暫態分析,了解風機塔基暫態電壓分布情況具有重要意義。

雷電暫態分析能夠指導風電機的雷電防護工作,國內外專家學者對此進行了大量研究。姜龍杰等[6]對風機接地系統雷電沖擊特性的影響因素進行了分析,并利用Matlab軟件進行了仿真計算,得到了風電機接地系統雷電沖擊特性規律,提出了針對多年凍土地區風電場的雷電防護措施;張萍等[7]分析了風機接地網尺寸、形狀和土壤電阻率對風機接地系統雷擊暫態電位的影響,并利用EMTP軟件進行了仿真分析,結果表明,風機接地系統在設計階段應選型適當;唐力等[8]在CDEGS軟件中搭建了風機接地系統仿真模型,研究了雷電波形、接地裝置埋設深度、土壤電阻率等因素對風電機接地網沖擊特性的影響,仿真結果對風機接地系統設計有很強的指導意義。

文章對風電場整體布局進行分析,在此基礎上對風機葉片、塔筒和接地裝置進行了建模,采用ATP-EMTP軟件對風機塔基進行雷電暫態分析,對風機塔基雷電暫態電壓的分布情況進行了研究。

1 ATP-EMTP軟件介紹

ATP-EMTP是一款非常重要的電磁場仿真軟件,在全球范圍內應用廣泛。ATP-EMTP軟件在中國,目前主要應用于超高、特高壓工程領域,對中國超、特高壓的發展做出了重要貢獻。對繼電保護、過電壓、高壓直流輸電、電能質量、絕緣配合等的電磁仿真,均離不開ATP-EMTP軟件,該軟件的計算精度得到了國際電工組織的認可。

ATP-EMTP軟件不僅可以用于電磁穩態分析,也可用于暫態分析。該軟件的原理是根據仿真對象的工作方式、系統屬性、開關參數等,將其等效為串并聯電路,并對一些分布參數進行轉化。為了解決ATP-EMTP軟件只能識別固定格式的問題,專家學者們提出了采用ATP-Draw對輸入數據進行前處理的方案。ATP-EMTP軟件中包含許多電力系統仿真所用的電氣元件。

2 風電場總體布局

風電場由風機、變壓器、輸電線路、接地網等設備組成,圖1為風電場電氣設備布局圖。風機輸出的電壓首先在升壓箱變處升壓至10 kV,其次被輸送至風電場變電站的低壓側,最后由變壓器升壓至更高等級電壓并接入電網。

1—風機基礎;2—接地網;3—輸入端;4—升壓箱變;5—輸出端;6—變電站。圖1 風電場電氣設備布局

風機接地系統由多根接地體組成,通常呈正多邊形或圓環狀,其結構簡圖如圖2所示。為了降低接地電阻,風機基礎與圓環接地網相連,其周圍還敷設有一定數量的垂直接地極。雷擊風機時,雷電流先后經過葉片、塔筒,最終通過接地網導入大地,在此過程中會產生一定的感應過電壓,當接地系統阻抗較大時還會形成反擊。

1—風機基礎;2—水平接地環;3—塔筒;4—地面;5—垂直接地極。圖2 風機接地系統結構簡圖

3 雷電流模型

研究表明,自然界中的雷電流大多為負極性,具有快速上升和緩慢下降的特點,對電氣設備危害較大。文章采用負極性雷電流進行風機接地系統雷電暫態分析,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;tf為波頭時間,表示雷電流從零上升至峰值電流的時間,tf越短,對風機危害越大;tt為波尾時間,表示雷電流從峰值電流下降至0.5Im的時間,波尾時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

雷電流暫態分析通常使用Heidler模型[9]。其表達式如式(1)所示:

(1)

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

4 風機暫態模型

研究表明,風機葉片、塔筒和接地系統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 風機葉片模型

風機葉片較長,建模時通常進行分段處理,分段后的風機葉片等效電路中電阻Rb、電抗Zb、電容Cb和電感Lb的計算公式分別如式(2)～(5)所示:

(2)

(3)

Cb=2πε0l1/(v1+v2)

(4)

Lb=μ0ε0/Cb

(5)

式中,ρ1為風機葉片電阻率(單位:Ω·m);l1為葉片長度(單位:m);r1為風機葉片半徑(單位:m);μ0為真空的導磁率(單位:H/m);v1和v2均為葉片長細比系數;ε0為真空的介電常數(單位:F/m)。

4.2 風機塔筒模型

風機塔筒較高,建模時通常進行分層處理,分層后的風機葉片等效電路中電阻Rn、電抗Zn、電容Cn和電感Ln的計算公式分別如式(6)～(9)所示:

Rn=ρ2Hev/S

(6)

(7)

(8)

(9)

式中,ρ2為風機塔筒電阻率(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為塔筒材料導磁率(單位:H/m);a為塔筒內外徑比例系數;req為塔筒等效電阻(單位:Ω)。

4.3 風機接地系統模型

風機接地系統通常采用單樁式基礎,忽略各段導體之間感性電阻和容性電阻的影響,則風機單位接地體對地電感Lgv、電容Cgv和電導Ggv分別如式(10)～(12)所示:

(10)

(11)

(12)

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

5 雷擊風機塔基暫態分析

風機塔基是接地系統與塔筒的連接部分,其上接塔筒,下連接地系統,在遭遇雷擊時的電位變化與塔筒有所不同。文章利用ATP-EMTP軟件對雷擊塔基處的首次雷擊暫態電位和繼后回擊暫態電位變化情況進行仿真分析。文章中的風機接地系統采用“八邊形”式,其水平接地體和垂直接地體的長度分別為6 m和1.5 m,半徑均為0.008 m,埋設深度為1.5 m。

依照ICE和中國現行規范GB 50057-2010的要求,對首次雷擊和繼后回擊的雷電流參數進行設置(表1)。

表1 首次雷擊和繼后回擊的雷電流參數

在ATP-EMTP軟件中進行仿真分析,首次雷擊和繼后回擊塔基時的暫態電壓變化情況分別如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知,首次雷擊和繼后回擊塔基時暫態電壓變化趨勢基本一致,均在短時間內達到峰值,然后以阻尼振蕩的形式衰減,最終暫態電壓衰減至零。

圖4 首次雷擊塔基暫態電壓變化

根據首次雷擊和繼后回擊塔基時的暫態電壓峰值及達到峰值所需時間的分布情況(表2)可知,首次雷擊和繼后回擊塔基時暫態電壓的峰值分別為46,529.25 V和20,295.13 V,均達到了萬伏級別。繼后回擊暫態電壓峰值為首次雷擊暫態電壓峰值的43.62%,可見雷擊塔基時不僅會在首次雷擊時產生高電壓,繼后回擊時仍能產生較高的電壓。從達到峰值電壓所需時間上看,首次雷擊和繼后回擊時達到峰值電壓所需時間分別為4.52×10-4ms和2.82×10-4ms,相比首次雷擊,繼后回擊達到峰值電壓所需時間縮短了1.70×10-4ms,由此可見,雷擊塔基時,除了首次雷擊會給塔基造成安全隱患外,繼后回擊問題同樣不可忽視,在設計階段風機塔基的防雷保護問題應當引起重視。

表2 兩次雷擊塔基時暫態電壓峰值和時間

6 結束語

文章采用ATP-EMTP軟件對雷擊塔基處的首次雷擊和繼后回擊暫態電壓變化情況進行仿真分析。結果表明,首次雷擊和繼后回擊時均會產生萬伏級別的暫態電壓,暫態電壓的變化趨勢基本一致,均在短時間內達到峰值,然后以阻尼振蕩的形式衰減,最終暫態電壓衰減至零。相比首次雷擊,繼后回擊暫態電壓峰值為首次雷擊暫態電壓峰值的43.62%,達到峰值電壓所需時間縮短了1.70×10-4ms,因此雷擊塔基的繼后回擊問題不可忽視,在設計階段風機塔基的防雷保護問題應當引起重視。