基于ATP－EMTP的海上風(fēng)電機槳葉雷電暫態(tài)分析

馮松彪，曾明珠，梁道藝，鄭清，劉國偉

（1.陽江市氣象局，廣東陽江 529500；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州 510000）

隨著國家對環(huán)保問題的重視，風(fēng)能、太陽能等清潔能源得到了大量開發(fā)，未來風(fēng)能將在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位［1－2］。相比陸風(fēng)電，海上風(fēng)電的資源更廣，具有更廣闊的開發(fā)前景［3］。海上風(fēng)電機組運行環(huán)境相對復(fù)雜，更易遭受雷電襲擊，頻繁的雷電活動給海上風(fēng)電機組帶來了巨大損失［4］。

目前，國內(nèi)外專家學(xué)者對風(fēng)機雷電保護的研究主要集中在陸地風(fēng)電，針對海上風(fēng)機雷電保護的研究較少。朱晟等［5］以海上緊湊型風(fēng)電機組為研究對象，建立了海上風(fēng)電機的雷擊暫態(tài)模型，根據(jù)仿真結(jié)果提出了海上風(fēng)電機組的防雷措施；王國政等［6］根據(jù)海上風(fēng)機槳葉的轉(zhuǎn)動特性，建立了海上風(fēng)機雷擊暫態(tài)模型，分析了雷電流參數(shù)、塔筒高度和槳葉長度等因素對雷電暫態(tài)過電壓的影響，并對其進(jìn)行了電磁場數(shù)值計算；李杰［7］利用ATP／EMTP軟件搭建了風(fēng)力發(fā)電機模型，對不同雷電事故進(jìn)行了模擬，分析了雷擊風(fēng)電機組不同部位的雷電過電壓分布規(guī)律，提出了針對風(fēng)電機組的防雷保護措施。

本研究對海上風(fēng)力發(fā)電機槳葉結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行分析，將其等效為若干個串聯(lián)而成π型電路，并對風(fēng)力發(fā)電機槳葉進(jìn)行分段處理，推導(dǎo)了槳葉電容、電感和電阻的計算公式。采用ATPEMTP軟件［8］對風(fēng)力發(fā)電機槳葉進(jìn)行雷電暫態(tài)分析，研究雷擊風(fēng)力發(fā)電機槳葉產(chǎn)生的雷電暫態(tài)電壓變化規(guī)律。

1 海上風(fēng)電機槳葉模型

槳葉是海上風(fēng)力發(fā)電機的重要組成部分，是實現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能的重要載體，槳葉的運行效率將直接對風(fēng)電機輸出功率產(chǎn)生影響。對于整個風(fēng)電機組而言，槳葉是處于最高處的，當(dāng)風(fēng)電機遭受雷電襲擊時，槳葉被擊中的概率最大，也是風(fēng)電機中受損最嚴(yán)重的部件。研究資料表明，槳葉中的絕緣材料對雷擊的保護作用較小，在遭受雷擊時，還會加劇槳葉受損。

研究表明，風(fēng)機槳葉長度遠(yuǎn)大于其截面積，根據(jù)此結(jié)構(gòu)特點，當(dāng)雷電流流過槳葉時，將其等效為長細(xì)狀的引流導(dǎo)體，并劃分為若干段，每段長度應(yīng)不超過雷電流最大波長的10%，即可得到若干個π型電路，如圖1所示。可見，風(fēng)力發(fā)電機槳葉電路實際上是由若干個π型電路串聯(lián)而成。

圖1 π型電路圖

1.1 雷電流模型

雷電是一種自然界的放電現(xiàn)象，根據(jù)我國現(xiàn)行的《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB 50057－2010）［9］，可采用Heidler模型對雷電流波形進(jìn)行描述，Heidler模型表達(dá)式為

其中，i（t）為t時刻的雷電流（kA）；η為電流修正系數(shù)；n為電流陡度因子；Im為電流幅值（kA）；tf、tt分別為波頭時間（ms）和波尾時間（ms）。Heidler模型具體見圖2。

圖2 雷電流波形示意圖

1.2 風(fēng)機槳葉模型

風(fēng)力發(fā)電機遭受雷擊時，雷擊部分的槳葉運動狀態(tài)多為豎直向上，由于槳葉為長細(xì)狀，槳葉上的電流通過引下線導(dǎo)入大地，該過程的示意圖如圖3所示。

圖3 雷擊風(fēng)電機槳葉示意圖

研究表明，槳葉分段處理的長度對雷電暫態(tài)分析精度有很大影響［10］，因此，每段長度應(yīng)不超過雷電流最大波長的10%，雷電流波長λ的表達(dá)式為

其中，λ為雷電流波長（m）；c為光速，取值為3×108m／s；ω為截止頻率，其值為7.7×106rad／s。

根據(jù)式（2），計算得到雷電流波長λ＝244.8 m，則可以得到等效導(dǎo)體的長度應(yīng)當(dāng)不超過24.48 m，由于本研究的風(fēng)力發(fā)電機槳葉的長度為58.9 m，因此將槳葉劃分成3段。

風(fēng)機槳葉等效電路電容Cb的計算公式如下：

其中，Cb為風(fēng)機槳葉等效電容（F）；ε0為真空的介電常數(shù)（F／m）；l1為槳葉劃分后每一段的長度（m）；v1、v2為電容系數(shù)；h為槳葉高度（m）；r1為槳葉引下線的半徑（m）；r2為接地引下線的半徑（m）；r為等效半徑（m）；zi1為第i段槳葉等效導(dǎo)體上端點的縱坐標(biāo)；zi2為第i段槳葉等效導(dǎo)體下端點的縱坐標(biāo)。

等效電路電阻Rb的計算公式如下：

其中，Rb為等效電路電阻（Ω）；ρ1為風(fēng)電機槳葉接地引下線的電阻率（Ω·m）；l1為槳葉劃分后每一段的長度（m）；r1為接地引下線的半徑（m）。

等效電路電感Lb的計算公式為

其中，μ0為真空的導(dǎo)磁率（H／m）；ε0為真空的介電常數(shù)（F／m）。

表1給出了某海上風(fēng)電場槳葉的部分參數(shù)。

表1 某海上風(fēng)電場槳葉參數(shù)

為了提高精度，本研究將槳葉的等效導(dǎo)體分解為若干個π型電路單元。

1.3 風(fēng)機接地體模型

忽略各段導(dǎo)體之間感性電阻和容性電阻的影響，則風(fēng)機單位接地體對地電感Lgv、電容Cgv和電導(dǎo)Ggv分別為

其中，rg為導(dǎo)體半徑（m）；lg為導(dǎo)體長度（m）；ε1為土壤介電常數(shù)（F／m）。

本研究采用單樁式基礎(chǔ)作為海上風(fēng)電電機的接地體，其單位長度π型電路如圖4所示。

圖4 單位長度接地體的π型電路示意圖

2 風(fēng)電機槳葉的雷電暫態(tài)分析

選擇風(fēng)力發(fā)電機槳葉尖端作為雷擊點，根據(jù)前文計算結(jié)果，將風(fēng)力發(fā)電機槳葉平均分為3段，則每段長度為19.63 m。模擬兩次雷擊，兩次雷電流模型參數(shù)如表2所示。風(fēng)力發(fā)電機槳葉在首次雷擊和繼后回?fù)魰r的電壓變化曲線如圖5所示。

表2 首次和繼后回?fù)衾纂娏髂Ｐ蛥?shù)

圖5 首次雷擊（a）和繼后回?fù)簦╞）電壓變化曲線

從圖5可以看出，風(fēng)力發(fā)電機槳葉被雷擊后，槳葉上的暫態(tài)電壓幅值逐步衰減，最后逐漸穩(wěn)定在某一幅值，其原因是風(fēng)力發(fā)電機槳葉等效電路中存在電感、電容和電阻，雷電流在這些元件中產(chǎn)生了振蕩，電感和電容不消耗能量，只用于能量交換；而電阻具有阻尼作用，不斷消耗能量，導(dǎo)致電壓逐步衰減。風(fēng)力發(fā)電機槳葉首次遭受雷擊時，雷電暫態(tài)電壓幅值最大可以達(dá)到2.9×107V，繼后回?fù)舢a(chǎn)生的雷電暫態(tài)電壓幅值最大為8.3×106V，由此可見，風(fēng)力發(fā)電機槳葉承受了兆伏級別的電位變化，極大地威脅了風(fēng)力發(fā)電機槳葉的安全穩(wěn)定運行［11］。對比兩次雷擊的電壓變化曲線可知，兩次雷擊均產(chǎn)生了較大的雷電暫態(tài)電壓，電壓幅值均呈現(xiàn)振蕩衰減模式，波動相對劇烈，風(fēng)力發(fā)電機槳葉內(nèi)部均遭受了很大的雷電波沖擊。相比首次雷擊，繼后回?fù)魧儆诶纂娀負(fù)簦a(chǎn)生的暫態(tài)電壓峰值僅為首次雷擊的25%，但變化頻率更快，由此可以看出，雷電回?fù)粢矔︼L(fēng)力發(fā)電機槳葉造成一定損傷。

由于風(fēng)力發(fā)電機槳葉的長度遠(yuǎn)大于它的截面積，因此本研究在建立模型時將發(fā)電機槳葉等效為長直導(dǎo)體，并將其平均劃分為3段，對其分別進(jìn)行電壓監(jiān)測［12］。第1次和第2次雷擊槳葉分段暫態(tài)電壓變化情況分別如圖6所示。由圖6可知，風(fēng)力發(fā)電機槳葉被雷擊后，葉尖、葉中和葉尾3段上產(chǎn)生的暫態(tài)電壓均表現(xiàn)為逐步衰減的趨勢，特別是在遭受雷擊的瞬間，葉尖、葉中和葉尾3段上的電壓幅值差異比較明顯，由此可以看出，風(fēng)力發(fā)電機槳葉塔尖尖端是最容易被雷擊破壞的部分，通常情況下也是受損最嚴(yán)重的［13］。另外對比圖6a～b中兩種暫態(tài)電壓變化情況可知，風(fēng)力發(fā)電機槳葉在遭受繼后回?fù)魰r，產(chǎn)生的暫態(tài)電壓在達(dá)到峰值前，相比首次雷擊時的速度變化更快，其中差異最明顯的部位是葉尖，由此可見，繼后回?fù)魳~后產(chǎn)生的雷電流變化速度更快，沖擊更嚴(yán)重，對風(fēng)力發(fā)電機槳葉的安全運行是一個較大的威脅。因此，在風(fēng)力發(fā)電機槳葉的防雷設(shè)計環(huán)節(jié)，應(yīng)重點考慮雷電繼后回?fù)舻姆雷o。

圖6 首次雷擊（a）和繼后回?fù)簦╞）槳葉分段暫態(tài)電壓變化情況

風(fēng)力發(fā)電機槳葉的制作材料電阻率相對較高，具有良好的絕緣性能，但在遭受雷擊后，由于雷電流較大，槳葉上會產(chǎn)生導(dǎo)電通路，使雷電流通過引下線傳導(dǎo)至其他部位。在此過程中，將會釋放很大的能量，巨大能量使風(fēng)力發(fā)電機槳葉內(nèi)部氣體溫度快速上升，并急劇膨脹，在其內(nèi)部材料中形成沖擊波，輕則可能導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機槳葉機械性能下降，重則直接使風(fēng)力發(fā)電機槳葉斷裂［14］。另外，在一些特殊情況下，雷擊風(fēng)力發(fā)電機槳葉后產(chǎn)生的沖擊波可能傳導(dǎo)至其他槳葉，損壞其他槳葉。當(dāng)雷電強度很大時，雷擊槳葉后可能產(chǎn)生巨大的高溫電弧，在高溫電弧的作用下，使風(fēng)力發(fā)電機槳葉著火，甚至引發(fā)風(fēng)電場火災(zāi)事故。因此，風(fēng)力發(fā)電機槳葉防雷保護問題應(yīng)當(dāng)引起重視。

根據(jù)海上風(fēng)力發(fā)電機槳葉長、細(xì)型的結(jié)構(gòu)特點，將其等效為若干個串聯(lián)而成π型電路，經(jīng)計算將風(fēng)力發(fā)電機槳葉平均分為3段，每段長度為19.63 m。采用ATP－EMTP軟件對3段式槳葉進(jìn)行雷電暫態(tài)分析，結(jié)果表明，兩次雷擊均產(chǎn)生了較大的雷電暫態(tài)電壓，電壓幅值均呈現(xiàn)振蕩衰減模式，波動相對劇烈，風(fēng)力發(fā)電機槳葉內(nèi)部均遭受了很大的雷電波沖擊。相比首次雷擊，繼后回?fù)魧儆诶纂娀負(fù)?，產(chǎn)生的暫態(tài)電壓峰值僅為首次雷擊的25%，但變化頻率更快，尤其在風(fēng)力發(fā)電機槳葉尖端部位，表現(xiàn)更為明顯。故海上風(fēng)力發(fā)電機槳葉雷電繼后回?fù)舻姆雷o問題不容忽視。