基于ATP-EMTP的风机塔基雷电暂态分析

谢炫颖,林奕平,刘树锋,王文豪

(1.广东省新丰县气象局,新丰 511100;2.广东省韶关市气象局,韶关 512000;3.华南理工大学,广州 510000)

0 引言

在能源危机和生态保护的双重背景下,推动能源转型已成为全球共识。风能属于清洁能源,分布广泛且可再生,具有广阔的应用前景,目前全球风电装机总量已达到898,800 MW[1-3]。风电场在运行过程中,难免遭受雷击,从而影响风电场安全稳定运行[4-5]。风机塔基是接地系统与塔筒的连接部分,该处安装有风机控制系统,因此对风机塔基进行雷电暂态分析,了解风机塔基暂态电压分布情况具有重要意义。

雷电暂态分析能够指导风电机的雷电防护工作,国内外专家学者对此进行了大量研究。姜龙杰等[6]对风机接地系统雷电冲击特性的影响因素进行了分析,并利用Matlab软件进行了仿真计算,得到了风电机接地系统雷电冲击特性规律,提出了针对多年冻土地区风电场的雷电防护措施;张萍等[7]分析了风机接地网尺寸、形状和土壤电阻率对风机接地系统雷击暂态电位的影响,并利用EMTP软件进行了仿真分析,结果表明,风机接地系统在设计阶段应选型适当;唐力等[8]在CDEGS软件中搭建了风机接地系统仿真模型,研究了雷电波形、接地装置埋设深度、土壤电阻率等因素对风电机接地网冲击特性的影响,仿真结果对风机接地系统设计有很强的指导意义。

文章对风电场整体布局进行分析,在此基础上对风机叶片、塔筒和接地装置进行了建模,采用ATP-EMTP软件对风机塔基进行雷电暂态分析,对风机塔基雷电暂态电压的分布情况进行了研究。

1 ATP-EMTP软件介绍

ATP-EMTP是一款非常重要的电磁场仿真软件,在全球范围内应用广泛。ATP-EMTP软件在中国,目前主要应用于超高、特高压工程领域,对中国超、特高压的发展做出了重要贡献。对继电保护、过电压、高压直流输电、电能质量、绝缘配合等的电磁仿真,均离不开ATP-EMTP软件,该软件的计算精度得到了国际电工组织的认可。

ATP-EMTP软件不仅可以用于电磁稳态分析,也可用于暂态分析。该软件的原理是根据仿真对象的工作方式、系统属性、开关参数等,将其等效为串并联电路,并对一些分布参数进行转化。为了解决ATP-EMTP软件只能识别固定格式的问题,专家学者们提出了采用ATP-Draw对输入数据进行前处理的方案。ATP-EMTP软件中包含许多电力系统仿真所用的电气元件。

2 风电场总体布局

风电场由风机、变压器、输电线路、接地网等设备组成,图1为风电场电气设备布局图。风机输出的电压首先在升压箱变处升压至10 kV,其次被输送至风电场变电站的低压侧,最后由变压器升压至更高等级电压并接入电网。

1—风机基础;2—接地网;3—输入端;4—升压箱变;5—输出端;6—变电站。图1 风电场电气设备布局

风机接地系统由多根接地体组成,通常呈正多边形或圆环状,其结构简图如图2所示。为了降低接地电阻,风机基础与圆环接地网相连,其周围还敷设有一定数量的垂直接地极。雷击风机时,雷电流先后经过叶片、塔筒,最终通过接地网导入大地,在此过程中会产生一定的感应过电压,当接地系统阻抗较大时还会形成反击。

1—风机基础;2—水平接地环;3—塔筒;4—地面;5—垂直接地极。图2 风机接地系统结构简图

3 雷电流模型

研究表明,自然界中的雷电流大多为负极性,具有快速上升和缓慢下降的特点,对电气设备危害较大。文章采用负极性雷电流进行风机接地系统雷电暂态分析,其波形如图3所示。在图3中,Im为雷电流幅值,表示雷电的峰值电流,是决定雷电危害性的重要参数;tf为波头时间,表示雷电流从零上升至峰值电流的时间,tf越短,对风机危害越大;tt为波尾时间,表示雷电流从峰值电流下降至0.5Im的时间,波尾时间决定了雷电流的下降速度,tt越大,雷电流能量越大。

图3 雷电流波形

雷电流暂态分析通常使用Heidler模型[9]。其表达式如式(1)所示:

(1)

式中,Im为峰值电流;η为电流修正系数,取值为2或10;τ1为波头时间常数;τ2为波尾时间常数;n为电流陡度因子;e=2.718。

4 风机暂态模型

研究表明,风机叶片、塔筒和接地系统均可以等效为含有电阻、电抗、电容和电感的π型电路[10]。

4.1 风机叶片模型

风机叶片较长,建模时通常进行分段处理,分段后的风机叶片等效电路中电阻Rb、电抗Zb、电容Cb和电感Lb的计算公式分别如式(2)～(5)所示:

(2)

(3)

Cb=2πε0l1/(v1+v2)

(4)

Lb=μ0ε0/Cb

(5)

式中,ρ1为风机叶片电阻率(单位:Ω·m);l1为叶片长度(单位:m);r1为风机叶片半径(单位:m);μ0为真空的导磁率(单位:H/m);v1和v2均为叶片长细比系数;ε0为真空的介电常数(单位:F/m)。

4.2 风机塔筒模型

风机塔筒较高,建模时通常进行分层处理,分层后的风机叶片等效电路中电阻Rn、电抗Zn、电容Cn和电感Ln的计算公式分别如式(6)～(9)所示:

Rn=ρ2Hev/S

(6)

(7)

(8)

(9)

式中,ρ2为风机塔筒电阻率(单位:Ω·m);Hev为塔筒分层后的高度(单位:m);S为塔筒截面积(单位:m2);μ为塔筒材料导磁率(单位:H/m);a为塔筒内外径比例系数;req为塔筒等效电阻(单位:Ω)。

4.3 风机接地系统模型

风机接地系统通常采用单桩式基础,忽略各段导体之间感性电阻和容性电阻的影响,则风机单位接地体对地电感Lgv、电容Cgv和电导Ggv分别如式(10)～(12)所示:

(10)

(11)

(12)

式中,rg为导体半径(单位:m);lg为导体长度(单位:m);ε1为土壤介电常数(单位:F/m)。

5 雷击风机塔基暂态分析

风机塔基是接地系统与塔筒的连接部分,其上接塔筒,下连接地系统,在遭遇雷击时的电位变化与塔筒有所不同。文章利用ATP-EMTP软件对雷击塔基处的首次雷击暂态电位和继后回击暂态电位变化情况进行仿真分析。文章中的风机接地系统采用“八边形”式,其水平接地体和垂直接地体的长度分别为6 m和1.5 m,半径均为0.008 m,埋设深度为1.5 m。

依照ICE和中国现行规范GB 50057-2010的要求,对首次雷击和继后回击的雷电流参数进行设置(表1)。

表1 首次雷击和继后回击的雷电流参数

在ATP-EMTP软件中进行仿真分析,首次雷击和继后回击塔基时的暂态电压变化情况分别如图4和图5所示。由图4和图5可知,首次雷击和继后回击塔基时暂态电压变化趋势基本一致,均在短时间内达到峰值,然后以阻尼振荡的形式衰减,最终暂态电压衰减至零。

图4 首次雷击塔基暂态电压变化

根据首次雷击和继后回击塔基时的暂态电压峰值及达到峰值所需时间的分布情况(表2)可知,首次雷击和继后回击塔基时暂态电压的峰值分别为46,529.25 V和20,295.13 V,均达到了万伏级别。继后回击暂态电压峰值为首次雷击暂态电压峰值的43.62%,可见雷击塔基时不仅会在首次雷击时产生高电压,继后回击时仍能产生较高的电压。从达到峰值电压所需时间上看,首次雷击和继后回击时达到峰值电压所需时间分别为4.52×10-4ms和2.82×10-4ms,相比首次雷击,继后回击达到峰值电压所需时间缩短了1.70×10-4ms,由此可见,雷击塔基时,除了首次雷击会给塔基造成安全隐患外,继后回击问题同样不可忽视,在设计阶段风机塔基的防雷保护问题应当引起重视。

表2 两次雷击塔基时暂态电压峰值和时间

6 结束语

文章采用ATP-EMTP软件对雷击塔基处的首次雷击和继后回击暂态电压变化情况进行仿真分析。结果表明,首次雷击和继后回击时均会产生万伏级别的暂态电压,暂态电压的变化趋势基本一致,均在短时间内达到峰值,然后以阻尼振荡的形式衰减,最终暂态电压衰减至零。相比首次雷击,继后回击暂态电压峰值为首次雷击暂态电压峰值的43.62%,达到峰值电压所需时间缩短了1.70×10-4ms,因此雷击塔基的继后回击问题不可忽视,在设计阶段风机塔基的防雷保护问题应当引起重视。