基于ATP－EMTP的海上风电机桨叶雷电暂态分析

冯松彪，曾明珠，梁道艺，郑清，刘国伟

（1.阳江市气象局，广东阳江 529500；2.华南理工大学电力学院，广东广州 510000）

随着国家对环保问题的重视，风能、太阳能等清洁能源得到了大量开发，未来风能将在能源结构中占据主导地位［1－2］。相比陆风电，海上风电的资源更广，具有更广阔的开发前景［3］。海上风电机组运行环境相对复杂，更易遭受雷电袭击，频繁的雷电活动给海上风电机组带来了巨大损失［4］。

目前，国内外专家学者对风机雷电保护的研究主要集中在陆地风电，针对海上风机雷电保护的研究较少。朱晟等［5］以海上紧凑型风电机组为研究对象，建立了海上风电机的雷击暂态模型，根据仿真结果提出了海上风电机组的防雷措施；王国政等［6］根据海上风机桨叶的转动特性，建立了海上风机雷击暂态模型，分析了雷电流参数、塔筒高度和桨叶长度等因素对雷电暂态过电压的影响，并对其进行了电磁场数值计算；李杰［7］利用ATP／EMTP软件搭建了风力发电机模型，对不同雷电事故进行了模拟，分析了雷击风电机组不同部位的雷电过电压分布规律，提出了针对风电机组的防雷保护措施。

本研究对海上风力发电机桨叶结构特点进行分析，将其等效为若干个串联而成π型电路，并对风力发电机桨叶进行分段处理，推导了桨叶电容、电感和电阻的计算公式。采用ATPEMTP软件［8］对风力发电机桨叶进行雷电暂态分析，研究雷击风力发电机桨叶产生的雷电暂态电压变化规律。

1 海上风电机桨叶模型

桨叶是海上风力发电机的重要组成部分，是实现风能转化为机械能的重要载体，桨叶的运行效率将直接对风电机输出功率产生影响。对于整个风电机组而言，桨叶是处于最高处的，当风电机遭受雷电袭击时，桨叶被击中的概率最大，也是风电机中受损最严重的部件。研究资料表明，桨叶中的绝缘材料对雷击的保护作用较小，在遭受雷击时，还会加剧桨叶受损。

研究表明，风机桨叶长度远大于其截面积，根据此结构特点，当雷电流流过桨叶时，将其等效为长细状的引流导体，并划分为若干段，每段长度应不超过雷电流最大波长的10%，即可得到若干个π型电路，如图1所示。可见，风力发电机桨叶电路实际上是由若干个π型电路串联而成。

图1 π型电路图

1.1 雷电流模型

雷电是一种自然界的放电现象，根据我国现行的《建筑物防雷设计规范》（GB 50057－2010）［9］，可采用Heidler模型对雷电流波形进行描述，Heidler模型表达式为

其中，i（t）为t时刻的雷电流（kA）；η为电流修正系数；n为电流陡度因子；Im为电流幅值（kA）；tf、tt分别为波头时间（ms）和波尾时间（ms）。Heidler模型具体见图2。

图2 雷电流波形示意图

1.2 风机桨叶模型

风力发电机遭受雷击时，雷击部分的桨叶运动状态多为竖直向上，由于桨叶为长细状，桨叶上的电流通过引下线导入大地，该过程的示意图如图3所示。

图3 雷击风电机桨叶示意图

研究表明，桨叶分段处理的长度对雷电暂态分析精度有很大影响［10］，因此，每段长度应不超过雷电流最大波长的10%，雷电流波长λ的表达式为

其中，λ为雷电流波长（m）；c为光速，取值为3×108m／s；ω为截止频率，其值为7.7×106rad／s。

根据式（2），计算得到雷电流波长λ＝244.8 m，则可以得到等效导体的长度应当不超过24.48 m，由于本研究的风力发电机桨叶的长度为58.9 m，因此将桨叶划分成3段。

风机桨叶等效电路电容Cb的计算公式如下：

其中，Cb为风机桨叶等效电容（F）；ε0为真空的介电常数（F／m）；l1为桨叶划分后每一段的长度（m）；v1、v2为电容系数；h为桨叶高度（m）；r1为桨叶引下线的半径（m）；r2为接地引下线的半径（m）；r为等效半径（m）；zi1为第i段桨叶等效导体上端点的纵坐标；zi2为第i段桨叶等效导体下端点的纵坐标。

等效电路电阻Rb的计算公式如下：

其中，Rb为等效电路电阻（Ω）；ρ1为风电机桨叶接地引下线的电阻率（Ω·m）；l1为桨叶划分后每一段的长度（m）；r1为接地引下线的半径（m）。

等效电路电感Lb的计算公式为

其中，μ0为真空的导磁率（H／m）；ε0为真空的介电常数（F／m）。

表1给出了某海上风电场桨叶的部分参数。

表1 某海上风电场桨叶参数

为了提高精度，本研究将桨叶的等效导体分解为若干个π型电路单元。

1.3 风机接地体模型

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分别为

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

本研究采用单桩式基础作为海上风电电机的接地体，其单位长度π型电路如图4所示。

图4 单位长度接地体的π型电路示意图

2 风电机桨叶的雷电暂态分析

选择风力发电机桨叶尖端作为雷击点，根据前文计算结果，将风力发电机桨叶平均分为3段，则每段长度为19.63 m。模拟两次雷击，两次雷电流模型参数如表2所示。风力发电机桨叶在首次雷击和继后回击时的电压变化曲线如图5所示。

表2 首次和继后回击雷电流模型参数

图5 首次雷击（a）和继后回击（b）电压变化曲线

从图5可以看出，风力发电机桨叶被雷击后，桨叶上的暂态电压幅值逐步衰减，最后逐渐稳定在某一幅值，其原因是风力发电机桨叶等效电路中存在电感、电容和电阻，雷电流在这些元件中产生了振荡，电感和电容不消耗能量，只用于能量交换；而电阻具有阻尼作用，不断消耗能量，导致电压逐步衰减。风力发电机桨叶首次遭受雷击时，雷电暂态电压幅值最大可以达到2.9×107V，继后回击产生的雷电暂态电压幅值最大为8.3×106V，由此可见，风力发电机桨叶承受了兆伏级别的电位变化，极大地威胁了风力发电机桨叶的安全稳定运行［11］。对比两次雷击的电压变化曲线可知，两次雷击均产生了较大的雷电暂态电压，电压幅值均呈现振荡衰减模式，波动相对剧烈，风力发电机桨叶内部均遭受了很大的雷电波冲击。相比首次雷击，继后回击属于雷电回击，产生的暂态电压峰值仅为首次雷击的25%，但变化频率更快，由此可以看出，雷电回击也会对风力发电机桨叶造成一定损伤。

由于风力发电机桨叶的长度远大于它的截面积，因此本研究在建立模型时将发电机桨叶等效为长直导体，并将其平均划分为3段，对其分别进行电压监测［12］。第1次和第2次雷击桨叶分段暂态电压变化情况分别如图6所示。由图6可知，风力发电机桨叶被雷击后，叶尖、叶中和叶尾3段上产生的暂态电压均表现为逐步衰减的趋势，特别是在遭受雷击的瞬间，叶尖、叶中和叶尾3段上的电压幅值差异比较明显，由此可以看出，风力发电机桨叶塔尖尖端是最容易被雷击破坏的部分，通常情况下也是受损最严重的［13］。另外对比图6a～b中两种暂态电压变化情况可知，风力发电机桨叶在遭受继后回击时，产生的暂态电压在达到峰值前，相比首次雷击时的速度变化更快，其中差异最明显的部位是叶尖，由此可见，继后回击桨叶后产生的雷电流变化速度更快，冲击更严重，对风力发电机桨叶的安全运行是一个较大的威胁。因此，在风力发电机桨叶的防雷设计环节，应重点考虑雷电继后回击的防护。

图6 首次雷击（a）和继后回击（b）桨叶分段暂态电压变化情况

风力发电机桨叶的制作材料电阻率相对较高，具有良好的绝缘性能，但在遭受雷击后，由于雷电流较大，桨叶上会产生导电通路，使雷电流通过引下线传导至其他部位。在此过程中，将会释放很大的能量，巨大能量使风力发电机桨叶内部气体温度快速上升，并急剧膨胀，在其内部材料中形成冲击波，轻则可能导致风力发电机桨叶机械性能下降，重则直接使风力发电机桨叶断裂［14］。另外，在一些特殊情况下，雷击风力发电机桨叶后产生的冲击波可能传导至其他桨叶，损坏其他桨叶。当雷电强度很大时，雷击桨叶后可能产生巨大的高温电弧，在高温电弧的作用下，使风力发电机桨叶着火，甚至引发风电场火灾事故。因此，风力发电机桨叶防雷保护问题应当引起重视。

根据海上风力发电机桨叶长、细型的结构特点，将其等效为若干个串联而成π型电路，经计算将风力发电机桨叶平均分为3段，每段长度为19.63 m。采用ATP－EMTP软件对3段式桨叶进行雷电暂态分析，结果表明，两次雷击均产生了较大的雷电暂态电压，电压幅值均呈现振荡衰减模式，波动相对剧烈，风力发电机桨叶内部均遭受了很大的雷电波冲击。相比首次雷击，继后回击属于雷电回击，产生的暂态电压峰值仅为首次雷击的25%，但变化频率更快，尤其在风力发电机桨叶尖端部位，表现更为明显。故海上风力发电机桨叶雷电继后回击的防护问题不容忽视。