海洋環(huán)境對海上風(fēng)場接地系統(tǒng)雷擊暫態(tài)特性影響研究

付國定

（河南工程學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，鄭州 451191）

0 引言

風(fēng)電作為清潔無污染的可再生能源一直受到世界各國的重視。經(jīng)過數(shù)十年的蓬勃發(fā)展，陸上風(fēng)力發(fā)電逐漸趨于飽和，海上風(fēng)電逐漸成為風(fēng)電發(fā)展新的亮點[1]。截至2014年底[2]，我國海上風(fēng)電項目累計核準(zhǔn)規(guī)模約3 080 MW，未來規(guī)模仍將持續(xù)擴大。海洋雷電環(huán)境不同于陸地，尤其是海陸交界區(qū)域。相關(guān)研究[3]表明，我國近海海域閃電平均密度是全球海洋的5倍，海陸交界區(qū)域閃電尤為高發(fā)，因為潮間帶特殊的地理條件一定程度上加強了該區(qū)域的雷電活動[4]。頻發(fā)的閃電導(dǎo)致近海風(fēng)場嚴(yán)重的雷擊事件[5]。

目前對于陸上風(fēng)電機組的雷擊暫態(tài)效應(yīng)及其危害研究較多，包括了機組本身雷擊暫態(tài)特性[6]、風(fēng)場回流浪涌[7]、機組集電系統(tǒng)暫態(tài)過電壓[8]等，這些研究對于指導(dǎo)陸上風(fēng)機的雷電防護具有較強的針對性，但是海上風(fēng)機其安裝環(huán)境不同于陸上風(fēng)機，尤其是其接地系統(tǒng)處于海水和海床雙層土壤環(huán)境當(dāng)中[9]，而現(xiàn)有關(guān)于海洋環(huán)境對海上風(fēng)場接地系統(tǒng)的雷擊特性研究相對較少。Amir等人[10]搭建了海上風(fēng)機模型，僅分析了開關(guān)過電壓相關(guān)特性；Jin等人[11-12]分析了海上風(fēng)機雷電浪涌傳播特性，但其未考慮海上風(fēng)機土壤分層情況，且分析內(nèi)容較為單一；朱晟等人[13]對雷擊海上風(fēng)機對弱電系統(tǒng)的影響進行了分析，得出了海上風(fēng)機的接地電阻阻值變化對弱電系統(tǒng)浪涌過電壓影響較小的結(jié)論，但其未考慮海洋土壤環(huán)境參數(shù)變化的影響。為了合理分析海上風(fēng)機雷擊暫態(tài)特性，必須考慮海水和海床雙層土壤環(huán)境影響。

本文利用PSCAD軟件搭建簡化海上風(fēng)場模型，討論海洋土壤分層環(huán)境下上層海水深度和下層土壤電阻率對風(fēng)機接地系統(tǒng)雷擊暫態(tài)響應(yīng)的影響；同時分析增加接地體長度對于降低暫態(tài)過電壓的效果，為海上風(fēng)電機組的雷電防護提供參考。

1 簡化風(fēng)場模型

目前，海上風(fēng)電場通常采用二級升壓方式，風(fēng)機輸出690 V電壓經(jīng)箱變升壓至35 kV后，通過35 kV海底電纜匯流至220 kV海上升壓站，再通過220 kV海纜并入電網(wǎng)[12]。圖1給出了一個較為典型的海上風(fēng)場布局圖。

圖1 海上風(fēng)場布局圖Fig.1 Typical configuration of offshore wind farm

1.1 雷電流模型

仿真雷電流采用Heidler函數(shù)波形表示，表達式[14]為

式中：Im為峰值電流，kA；τ1和τ2分別為波頭時間常數(shù)和波尾時間常數(shù)，μs；n為電流陡度因子，一般情況下取n=2或10。雷電流波形取2.6/50μs，幅值50 kA，對應(yīng)的回擊通道等值波阻抗為700 Ω[15]。

1.2 葉片和塔筒模型

為了充分考慮雷電流在風(fēng)機上傳播的波過程，將葉片和塔筒用波阻抗模型表示。葉片波阻抗計算如下[16]：

式中：lb為葉片長度；rb為葉片等效半徑。

計算風(fēng)機塔筒波阻抗時，忽略塔頂塔底半徑差異，將其等效為一個垂直圓柱體。Ametani等人給出的垂直圓柱體波阻抗公式與有限元仿真結(jié)果較為接近，計算公式如下[17]：

式中：H為塔筒高度；rt為塔筒等效半徑。仿真中葉片長41 m，葉片半徑1.2 m，輪轂高度65 m，塔筒等效半徑1.75 m。

1.3 接地系統(tǒng)模型

樁式基礎(chǔ)因其無需海床準(zhǔn)備、安裝簡便的優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。單樁基礎(chǔ)由大直徑鋼管組成，通過液壓撞錘將鋼管夯入海床或鉆孔安裝在海床上[12]。不同于陸上風(fēng)機接地，海上風(fēng)機基礎(chǔ)處于海水和砂石雙層環(huán)境當(dāng)中。圖2給出了接地體處于上層海水和下層海床示意圖。

圖2 接地體處于海洋雙層土壤時示意圖Fig.2 Schematic diagram of the ground body in the ocean double layer soil

雙層土壤環(huán)境接地電阻計算公式如下[18]：

式中：L為接地體總長度；d為接地體直徑；h1為上層海水深度；ρ1和ρ2分別為上層海水和下層海床土壤電阻率；k為土壤反射系數(shù)，k=(ρ2-ρ1)/(ρ2+ρ1) 。仿真中接地基礎(chǔ)長度25m，基礎(chǔ)直徑2.75 m。

1.4 電纜模型

35 kV海底電纜型號為ZS-YJQF41，由電纜線芯、絕緣層、屏蔽層和護套層四部分組成，電纜結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)分別見圖3和表1。

圖3 電纜結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of submarine cables

表1 海底電纜參數(shù)Table 1 Parameters of submarine cables

2 仿真結(jié)果分析

2.1 浪涌傳播

圖4給出了雷擊1號風(fēng)機時，1-3號風(fēng)機塔底暫態(tài)過電壓波形。海水深度15 m，海水電阻率2 Ω.m，海床土壤電阻率1 000 Ω.m。

從圖4可看出，遭受雷擊后的1號風(fēng)機塔底暫態(tài)電位最高，2號風(fēng)機次之，3號風(fēng)機最小。當(dāng)一臺風(fēng)機遭受雷擊后，浪涌電流不僅會傳播至鄰近風(fēng)機，也會傳播至距離較遠的風(fēng)機，但是過電壓衰減較為明顯，距離雷擊點越遠，暫態(tài)電位幅值越低。同時可看出，塔底暫態(tài)電位波形存在明顯的振蕩，這主要是因為海上風(fēng)機接地電阻相較于風(fēng)機塔筒阻抗很小，阻抗不匹配，導(dǎo)致雷電流在交界處產(chǎn)生強烈的折射和反射。

圖4 塔底暫態(tài)過電壓Fig.4 Transient voltage of tower bottom

2.2 土壤環(huán)境影響

圖5給出了雷擊1號風(fēng)機時，下層海床土壤電阻率變化對風(fēng)機塔底暫態(tài)電位的影響。

圖5 下層土壤電阻率對塔底暫態(tài)過電壓影響Fig.5 Effect of the soil resistivity of the bottom soil on transient voltage

從圖5可看出，下層土壤電阻率越大，塔底暫態(tài)電位幅值越高，但是增大趨勢趨緩。下層海床土壤電阻率的增加，不利于電流的流散[19]，增大了風(fēng)機的等效接地電阻。

圖6給出了雷擊1號風(fēng)機時，不同土壤反射系數(shù)下，上層海水深度變化對風(fēng)機塔底暫態(tài)電位的影響。下層海床土壤土質(zhì)為黏土、砂土和砂礫對應(yīng)的反射系數(shù)分別為0.666、0.875和0.960[20]。

圖6 海水深度對塔底暫態(tài)過電壓影響Fig.6 Effect of the seawater depth on transient voltage of tower bottom

從圖6可看出，上層海水越深，塔底暫態(tài)電位幅值越小，但是這種減小趨勢趨緩。這主要是由于海水電阻率遠小于下層海床土壤電阻率，隨著海水深度的增加，接地系統(tǒng)的散流主要取決于上層海水，風(fēng)機的接地電阻減小有限。

2.3 接地系統(tǒng)參數(shù)影響

圖7給出了雷擊1號風(fēng)機時，不同土壤反射系數(shù)下，接地體長度變化對風(fēng)機塔底暫態(tài)電位的影響。海水深度取15 m。

圖7 接地體長度對塔底暫態(tài)過電壓影響Fig.7 Effect of the length of the grounding system on transient voltage of tower bottom

由圖7看出，塔底暫態(tài)電位隨著接地體長度的增加而降低，但是過電壓降低趨勢越來越小。通過增加接地體長度來降低風(fēng)機接地電阻的效果取決于土壤反射系數(shù)，反射系數(shù)越小，降阻效果越明顯。此外，接地體長度的增加也相應(yīng)增大了施工費用，因此必須合理取舍。

3 結(jié)論

利用PSCAD建立簡化海上風(fēng)場模型，對海洋土壤分層環(huán)境下風(fēng)機接地系統(tǒng)雷擊暫態(tài)效應(yīng)進行了仿真，得到結(jié)論如下：

1）風(fēng)機遭受雷擊后，浪涌會傳播至其他相連風(fēng)機，距離雷擊點越遠的風(fēng)機，塔底暫態(tài)電位幅值越低。

2）下層海床土壤電阻率越大，風(fēng)機塔底暫態(tài)電位幅值越高。上層海水深度越大，風(fēng)機塔底暫態(tài)電位幅值越小。

3）上層海水電阻率固定時，風(fēng)機塔底暫態(tài)電位隨著土壤反射系數(shù)的增大而增加。

4）隨著接地體長度的增加，風(fēng)機塔底暫態(tài)電位逐漸降低，但降低趨勢趨緩，且受下層海床土壤電阻率的影響增大。

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