基于ATP-EMTP的風機塔基雷電暫態(tài)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(tài)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(wěn)定運行[4-5]。風機塔基是接地系統(tǒng)與塔筒的連接部分,該處安裝有風機控制系統(tǒng),因此對風機塔基進行雷電暫態(tài)分析,了解風機塔基暫態(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(tǒng)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(tǒng)雷電沖擊特性規(guī)律,提出了針對多年凍土地區(qū)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(tǒng)雷擊暫態(tài)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)分析,對風機塔基雷電暫態(tài)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(fā)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(wěn)態(tài)分析,也可用于暫態(tài)分析。該軟件的原理是根據仿真對象的工作方式、系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)由多根接地體組成,通常呈正多邊形或圓環(huán)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(huán)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(tǒng)阻抗較大時還會形成反擊。

1—風機基礎;2—水平接地環(huán);3—塔筒;4—地面;5—垂直接地極。圖2 風機接地系統(tǒng)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(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;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(tài)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(tài)模型

研究表明,風機葉片、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(tǒng)模型

風機接地系統(tǒng)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(tài)分析

風機塔基是接地系統(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(tài)電位和繼后回擊暫態(tài)電位變化情況進行仿真分析。文章中的風機接地系統(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(guī)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(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,首次雷擊和繼后回擊塔基時暫態(tài)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(tài)電壓衰減至零。

圖4 首次雷擊塔基暫態(tài)電壓變化

根據首次雷擊和繼后回擊塔基時的暫態(tài)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(tài)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(tài)電壓峰值為首次雷擊暫態(tài)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(tài)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(tài)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(tài)電壓,暫態(tài)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(tài)電壓衰減至零。相比首次雷擊,繼后回擊暫態(tài)電壓峰值為首次雷擊暫態(tài)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。