海上風(fēng)電場(chǎng)海底高壓電纜電磁暫態(tài)過(guò)程的仿真分析

黃輝，鄭明，藍(lán)錦標(biāo)，李迪

（1.五邑大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東江門 529020；2.廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 510663）

隨著海上風(fēng)電技術(shù)的推廣，海底高壓電纜的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。當(dāng)前對(duì)于架空線路的過(guò)電壓研究比較成熟，國(guó)內(nèi)外關(guān)于這方面的文獻(xiàn)也較多，但與海底高壓電纜配合的過(guò)電壓的研究較少[1-4]。本文主要針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)中的海底高壓電纜裝置進(jìn)行研究，對(duì)電纜在過(guò)電壓狀況下進(jìn)行電磁暫態(tài)分析，使其更符合實(shí)際設(shè)計(jì)要求。特別是將海底電纜的選型、海底電纜的電磁暫態(tài)分析結(jié)合在一起進(jìn)行研究，從計(jì)算結(jié)果中進(jìn)行分析海底高壓電纜中有哪些參數(shù)會(huì)如何影響過(guò)電壓情況，為海底高壓電纜的選型和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供設(shè)計(jì)參考。

1 海上風(fēng)電場(chǎng)電力傳輸和接入電網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)

圖1 海上風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)模型圖Fig.1 Model diagram of offshore wind power generation system

從圖1可以看到，海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由3個(gè)部分構(gòu)成，一個(gè)是有海上一級(jí)變電部分，一個(gè)是海上分電站部分，一個(gè)是岸上分電站部分。它們各自的功能如下：

1）海上一級(jí)變電部分把各風(fēng)機(jī)輸出的690 V的電壓通過(guò)風(fēng)機(jī)變壓器升至35 kV。

2）海上分電站把各風(fēng)機(jī)變壓器的電能通過(guò)陣列電纜集中起來(lái)，起到集電作用，然后通過(guò)升壓變壓器將35 kV的電壓升至110 kV，然后通過(guò)海底電纜，將電能輸送到岸上分電站；除此之外，它還具有對(duì)線路無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

3）岸上分電站與一般的變電站作用類似，主要把送來(lái)的電能進(jìn)行并網(wǎng)作用。

由于海上分電站與岸上分電站有20 km至30 km的距離，水深大概在200 m，無(wú)法通過(guò)架空線路輸電，唯一辦法是通過(guò)海底電纜輸電，這也是研究海底高壓電纜的意義。

2 海底高壓電纜建模

海底高壓電纜的總體結(jié)構(gòu)分為單芯和三芯兩種，其結(jié)構(gòu)分別如圖2所示。三芯結(jié)構(gòu)相對(duì)于單芯結(jié)構(gòu)損耗較小，而單芯結(jié)構(gòu)由于三相分開排列，相對(duì)于三芯結(jié)構(gòu)有利于散熱。

圖2 XLPE海底高壓電纜單芯結(jié)構(gòu)與三芯結(jié)構(gòu)Fig.2 XLPE high-voltage submarine cable single-core structure and the three-core structure

PSCAD/EMTDC4.2里面只有單芯電纜模型，沒(méi)有三芯同軸的電纜模型。本文中利用其中的CABLE模型，把三條單芯電纜呈品字型排列，用它來(lái)等效三芯電纜。本節(jié)以某公司實(shí)際導(dǎo)體截面是400 mm和630 mm這2種不同結(jié)構(gòu)、同一種材料的海底高壓電纜進(jìn)行分析，以研究不同結(jié)構(gòu)下的海底高壓電纜的電磁暫態(tài)分析。2種電纜的結(jié)構(gòu)如下表1所示[5-9]。

表1 2種電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameters of two kinds of cable

3 海上風(fēng)力發(fā)電仿真系統(tǒng)的搭建

以近海風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)為依據(jù)，建立圖3所示的海上風(fēng)電場(chǎng)仿真系統(tǒng)，六組風(fēng)機(jī)通過(guò)一級(jí)升壓變壓器升至35 kV，再采用35 kV的架空線把風(fēng)機(jī)組匯總起來(lái)，連到一個(gè)110 kV海上分電站進(jìn)行升壓，然后通過(guò)110 kV海底高壓電纜向岸邊的主電網(wǎng)輸電。海底電纜的長(zhǎng)度是31 km，接地方式為兩端接地（如果不采用兩端接地的方式，仿真中發(fā)現(xiàn)海底高壓電纜上的過(guò)電壓將超出允許值）。兩側(cè)架空線的長(zhǎng)度都是1 km，線路母線的電壓的標(biāo)稱值是110 kV。

其中，圖3里的source部分是現(xiàn)有電源，發(fā)電機(jī)的容量是100 MVA。它通過(guò)架空線路輸出，其無(wú)功功率對(duì)各風(fēng)機(jī)提供無(wú)功功率，同時(shí)其有功功率與風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的有功功率并入主電網(wǎng)里。MO部分是海上升壓站，對(duì)各風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能進(jìn)行集中，同時(shí)把電壓從35 kV升至110 kV，與海底高壓電纜連接，通過(guò)海底高壓電纜向主電網(wǎng)輸出電能。

由于海底高壓電纜的電容極大（約為常規(guī)架空線路的十幾倍），因而需要較大的補(bǔ)償容量。400 mm2、630 mm2導(dǎo)體截面，在系統(tǒng)中分別配與不同的高抗進(jìn)行補(bǔ)償。其中，導(dǎo)體截面400 mm2的電纜配與2×（1.3H+0.1 μF）、1×（3.4H+0.1 μF），導(dǎo)體截面630 mm2的電纜配與 2×（1.0H+0.1 μF）、1×（2.8H+0.1 μF）。補(bǔ)償后，2系統(tǒng)的功率因數(shù)分別為 0.944、0.946。

4 海底電纜電磁暫態(tài)分析

4.1 操作過(guò)電壓

根據(jù)操作或故障的不同會(huì)產(chǎn)生不同的過(guò)電壓種類，根據(jù)所研究系統(tǒng)的情況，如圖3所示系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。測(cè)試該系統(tǒng)工頻過(guò)電壓均符合要求，主要關(guān)注source側(cè)的空載（輕載）線路合閘過(guò)電壓和架空線路上發(fā)生單相接地的過(guò)電壓。

表2和表3分別是導(dǎo)體截面積400 mm2和630 mm2海底電纜模型。假設(shè)圖3中W1側(cè)相鄰架空線路發(fā)生合空線和單相重合閘的情況，此時(shí)海底高壓電纜最高統(tǒng)計(jì)操作過(guò)電壓，重合閘的合閘電阻的阻值為100 Ω，重合閘投入時(shí)間為 9 ms。

表2 導(dǎo)體截面400 mm2海底電纜操作過(guò)電壓Tab.2 Operating overvoltage of 400 mm2submarine cable

由表格數(shù)據(jù)可以看出：在W1母線側(cè)和W2風(fēng)機(jī)側(cè)線路斷路器裝設(shè)合閘電阻，即便考慮到線路斷路器的合閘電阻一相故障的情況，兩種電纜所受的最大操作過(guò)電壓都沒(méi)有超過(guò)2.0 pu，所以本系統(tǒng)在研究工頻過(guò)電壓和操作過(guò)電壓時(shí)不需加入金屬氧化物避雷器（Metal oxide arrester，MOA）來(lái)限制操作過(guò)電壓。綜合2種電纜的操作過(guò)電壓狀況，導(dǎo)體截面積是400 mm2的海底電纜由于其絕緣度厚度比導(dǎo)體截面積是630 mm2海底高壓電纜大1 mm2，導(dǎo)體截面400 mm2的海底電纜所受的最大操作過(guò)電壓明顯低于導(dǎo)體截面630 mm2的海底高壓電纜。

表3 導(dǎo)體截面630 mm2海底電纜操作過(guò)電壓Tab.3 Operating overvoltage of 630 mm2submarine cable

4.2 雷擊過(guò)電壓

海上風(fēng)電場(chǎng)由于獨(dú)特的運(yùn)行環(huán)境，雷擊過(guò)電壓成為過(guò)電壓當(dāng)中一個(gè)主要考慮的因素。本文計(jì)算時(shí)只考慮雷擊架空線路桿塔頂部反擊形成的雷電侵入波作為研究對(duì)象。如圖4所示，在沿線路中裝設(shè)MOA（金屬氧化物避雷器）來(lái)限制雷擊過(guò)電壓，中間的MOV模塊為雷電模型，如圖5所示，假設(shè)雷擊時(shí)間是1 ms。

圖3 模擬近海風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)的PSCAD/EMTDC模型Fig.3 PSCAD/EMTDC model for simulation offshore wind power generation platform

圖4 雷擊過(guò)電壓的PSCAD/EMTDC模型Fig.4 The PSCAD/EMTDC lightning overvoltage model

圖5 雷擊裝置內(nèi)部的一相PSCAD/EMTDC模型Fig.5 PSCAD/EMTDC model of a phase inside lightning device

處理每一種情況的雷擊過(guò)電壓數(shù)據(jù)，結(jié)果如表4所示。

表4 兩種電纜的雷擊過(guò)電壓Tab.4 Overvoltage of lightning of two kinds of cable

由計(jì)算結(jié)果可以看出：

1）導(dǎo)體截面是400 mm2的電纜受雷擊過(guò)電壓的情況。在靠近電源端架空線受到雷擊時(shí)，W1側(cè)的最大雷擊過(guò)電壓為1.862 pu，W2側(cè)影響較小；在靠近風(fēng)機(jī)側(cè)的架空線受雷擊時(shí)，W2側(cè)的最大雷擊過(guò)電壓為1.843 pu，W1側(cè)影響較小。

2）導(dǎo)體截面是630 mm2的電纜受雷擊過(guò)電壓的情況。在靠近電源端架空線受到雷擊時(shí)，W1側(cè)的最大雷擊過(guò)電壓為1.674 pu，W2側(cè)影響較?。辉诳拷L(fēng)機(jī)側(cè)的架空線受雷擊時(shí)，W2側(cè)的最大雷擊過(guò)電壓為1.645 pu，W1側(cè)影響較小。

綜上所述，線路中加入避雷器后，線路受到的雷擊過(guò)電壓少于2.0 pu，處于允許的范圍內(nèi)。在雷擊過(guò)電壓時(shí)，導(dǎo)體截面是 400 mm2的海底高壓電纜比導(dǎo)體截面是 630 mm2的受到的雷擊過(guò)電壓水平要大。

5 海底電纜各層參數(shù)對(duì)電磁暫態(tài)的影響

5.1 海底高壓電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁暫態(tài)特性的影響

以表1中導(dǎo)體截面是 400 mm2的海底電纜的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為參考數(shù)據(jù)，在其余仿真條件保持不變的前提下，通過(guò)修改海底高壓電纜每一層的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)研究這些參數(shù)對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電磁暫態(tài)特性的影響。仿真發(fā)現(xiàn)，海底高壓電纜各層的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)海底電纜的電磁暫態(tài)有著不同程度的影響，其中導(dǎo)體層、絕緣厚度層、HDPE厚度層對(duì)海底電纜的電磁暫態(tài)影響尤為明顯。分析結(jié)果概括如下：

1）海底電纜結(jié)構(gòu)每一層的變化，其對(duì)應(yīng)的操作過(guò)電壓變化幅度比工頻過(guò)電壓變化的幅度要大，其單相重合閘無(wú)合閘電阻的操作過(guò)電壓均在1.90 pu以下，仍在允許的范圍內(nèi)。通過(guò)裝設(shè)合閘電阻（100 Ω）可以將線路的操作過(guò)電壓幅值限制在1.40 pu以下；

2）HDPE厚度由4.0 mm2增加或減少，其工頻過(guò)電壓變化不大，操作過(guò)電壓都增加，雷擊過(guò)電壓卻減少得非常明顯（由約1.9 pu降至約1.5 pu），但是3種過(guò)電壓均在允許的范圍內(nèi)（少于2.0 pu）；這一層的設(shè)置對(duì)海底高壓電纜整體的電磁暫態(tài)特性影響較大；

3）絕緣層厚度是16.5 mm的絕緣水平最合適，由17.5 mm增加或減少，其工頻過(guò)電壓變化不大，操作過(guò)電壓都增加，雷擊過(guò)電壓顯著減少（有約1.9 pu降至約1.4 pu），但是3種過(guò)電壓都在允許的范圍內(nèi)（少于2.0 pu）；由此可以看出這一層的設(shè)置對(duì)海底高壓電纜整體的電磁暫態(tài)特性影響較大；

4）改變其余各層參數(shù)時(shí)，電磁暫態(tài)的變化幅度非常有限。當(dāng)三芯海底高壓電纜的水平間距，分別取0.5 m、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m，計(jì)算海底高壓電纜上的過(guò)電壓大小。發(fā)現(xiàn)海纜的敷設(shè)間距對(duì)沿線過(guò)電壓沒(méi)有影響，這主要是由于每一相在護(hù)套外面還有一層金屬鎧裝層起了屏蔽作用，使得3個(gè)電纜之間是相互獨(dú)立的，因而距離對(duì)其沒(méi)有影響。

5.2 海底高壓電纜護(hù)套層材料對(duì)電磁暫態(tài)特性的影響

海底高壓電纜一般采用鉛合金護(hù)套或者鋁護(hù)套，護(hù)套材料不同，其電阻率也不同，對(duì)海底高壓電纜的過(guò)電壓計(jì)算也有影響。前面章節(jié)計(jì)算時(shí)采用的均是是鉛合金護(hù)套。兩種海底高壓電纜采用400 mm2標(biāo)稱截面，其余的電性能參數(shù)見參考文獻(xiàn)[10]，分析護(hù)套金屬材料對(duì)過(guò)電壓大小影響，仍采用如圖3所示風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5所示。從表5中可以看出，護(hù)套層金屬材料對(duì)海纜高壓電纜的過(guò)電電壓影響相對(duì)較小。采用鋁護(hù)套時(shí)過(guò)電壓會(huì)明顯減小。采用2種護(hù)套時(shí)，海纜上的過(guò)電壓均滿足主絕緣的要求。

表5 不同護(hù)套層金屬的過(guò)電壓Tab.5 Overvoltage of different sheath layer metal

5.3 海底高壓電纜主絕緣材料對(duì)電磁暫態(tài)特性的影響

高壓海底電纜一般采用交聯(lián)聚乙烯（XLPE）、紙絕緣和粘性浸漬紙絕緣作為主絕緣，但由于目前粘性浸漬紙絕緣電纜僅應(yīng)用于高壓直流海纜，因此不予考慮。本文前面計(jì)算的海纜均采用交聯(lián)聚乙烯作為主絕緣，本節(jié)計(jì)算時(shí)分別考慮交聯(lián)聚乙烯和PPLP復(fù)合紙絕緣作為主絕緣來(lái)計(jì)算海纜過(guò)電壓。交聯(lián)聚乙烯和PPLP復(fù)合紙絕緣的相關(guān)參數(shù)如表6所示。仍采用如圖3所示風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表6 兩類電纜電氣參數(shù)Tab.6 Electrical parameters of two types of cables

表7 不同主絕緣層材料的過(guò)電壓Tab.7 Overvoltage of the main insulation layer of the different material

從表7可以看出，以交聯(lián)聚乙烯作為主絕緣材料時(shí)海纜兩端過(guò)電壓較大。這主要是由于交聯(lián)聚乙烯的介電常數(shù)較PPLP小，使得單位長(zhǎng)度的海底高壓電纜的電容更小，從而影響到了海上風(fēng)電系統(tǒng)的過(guò)電壓。

6 結(jié)論

本仿真實(shí)驗(yàn)通過(guò)PSCAD/EMTDC對(duì)海底電纜進(jìn)行電磁暫態(tài)分析，重點(diǎn)分析了海底電纜在工頻過(guò)電壓、操作過(guò)電壓、雷擊過(guò)電壓情況下的電磁暫態(tài)分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明：海底電纜各層的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)海底電纜的電磁暫態(tài)有著不同程度的影響，其中導(dǎo)體層、絕緣厚度層、HDPE厚度層對(duì)海底電纜的電磁暫態(tài)影響尤為明顯。另外，海底高壓電纜的護(hù)套層材料和主絕緣層材料也對(duì)電磁暫態(tài)有影響。本仿真過(guò)程主要基于PSCAD/EMTDC軟件，不可避免的有一定的局限性。下一步研究，將利用搭建的實(shí)物模型對(duì)仿真分析的結(jié)果加以修正和驗(yàn)證。

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