張力腿漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組利用錨泊系統(tǒng)作為接地體的可行性研究

李 偉， 王 森， 申 巍， 李志忠， 王旭明

(1.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，西安 710100； 2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710049)

0 引言

海上風(fēng)電機(jī)組與陸上風(fēng)電機(jī)組相比，風(fēng)能資源更優(yōu)，平均風(fēng)速多在7 m/s以上，適合大規(guī)模開發(fā)，也易于大容量機(jī)組裝機(jī)[1]。同時(shí)我國的海上風(fēng)電場多位于東南沿海地區(qū)，用電量大，電場接入難度較小，以上外部因素均有利于我國的海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展[2-4]。根據(jù)《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，到2020年底我國海上風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量將到達(dá)500萬千瓦以上，2019年上半年，國內(nèi)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)總?cè)萘繛?84千瓦[5]，海上風(fēng)電的發(fā)展速度快于整個風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但是與陸上風(fēng)電相比，我國的海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，海上風(fēng)電的標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證體系仍有待進(jìn)一步完善。以海上風(fēng)電機(jī)組防雷接地為例，機(jī)組由于地處東南沿海，雷雨天氣頻繁，加之機(jī)組高度高于海平面，雷云在機(jī)組處的電場畸變嚴(yán)重，使得海上機(jī)組相比陸上機(jī)組而言更易遭受雷擊。但是海上機(jī)組維修難度大、費(fèi)用高，且當(dāng)機(jī)組遭受雷擊故障后，維修人員無法立即到達(dá)現(xiàn)場排除故障，所以對于海上風(fēng)電機(jī)組應(yīng)該嚴(yán)格按照一類防雷等級進(jìn)行設(shè)計(jì)，目前國內(nèi)尚未有針對海上風(fēng)電機(jī)組防雷接地保護(hù)等方向的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)出臺，因此為了降低機(jī)組在遭受雷擊時(shí)產(chǎn)生故障的概率，有必要對海上風(fēng)電機(jī)組的防雷接地開展研究。事實(shí)證明，可靠接地是保障機(jī)組遭受雷擊時(shí)低壓及電子安全的有效措施，接地電阻值應(yīng)該小于4 Ω[6-7]，當(dāng)接地電阻過大時(shí)，雷電流不能及時(shí)有效流出，將導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重故障甚至損毀。海上風(fēng)電機(jī)組通過機(jī)組支撐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，并以海水、海床為散流介質(zhì)對雷電流進(jìn)行散流，故機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)類型、參數(shù)對接地阻抗的影響較大。圖1列出了常見的幾種海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[8-14]，包括(a)重力型基礎(chǔ)、(b)樁基礎(chǔ)、(c)導(dǎo)管架基礎(chǔ)、(d)高樁承臺基礎(chǔ)以及漂浮式風(fēng)電機(jī)組，其中常見的漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組包括(e)張力腿(TLP)式、(f)Spar式、(g)駁船式等。

圖1 各式海上風(fēng)電機(jī)組及其支撐基礎(chǔ)模型Fig.1 Various offshore wind turbines and their supporting foundation models

國內(nèi)的李翠玲借助理論分析和有限元方法對TLP式海上風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行環(huán)境下的動力學(xué)特性進(jìn)行了研究[8]；李炬添等人對海上風(fēng)電機(jī)組利用高樁承臺和導(dǎo)管架支撐基礎(chǔ)作為自然接地體的接地性能進(jìn)行了分析，得出接地方案可以滿足機(jī)組的接地要求[15-16]；文習(xí)山等人研究海上升壓站利用基礎(chǔ)作為自然接地體能夠滿足實(shí)際工程的需要[17]。隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，勢必要從淺海向深海逐漸過渡，高樁承臺基礎(chǔ)等只適用于淺海地區(qū)，對于水位較深的地區(qū)裝設(shè)漂浮式風(fēng)電機(jī)組更具優(yōu)勢，然而漂浮式風(fēng)電機(jī)組的接地領(lǐng)域尚未有學(xué)者開展系統(tǒng)研究，故筆者主要對張力腿(tension leg platforms，TLP)漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組接地性能展開研究。

1 模型的構(gòu)建與簡化

張力腿式海上漂浮式風(fēng)電機(jī)組及其基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)見圖2，包括風(fēng)輪、機(jī)艙、塔筒、浮箱、平臺立柱、張力腿、海底樁基等結(jié)構(gòu)。浮箱及平臺排水量的重力之和與機(jī)組自重及張力腿的拉力相抵消，以保證機(jī)組在運(yùn)行工況下的力學(xué)穩(wěn)定。張力腿選擇直徑為5 cm的鋼制拉索，一端與海底樁基即錨固基礎(chǔ)相連，另一端與平臺立柱相連，張力腿拉索始終處于繃緊狀態(tài)。文獻(xiàn)[8]中的機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)，初始設(shè)計(jì)中平臺立柱數(shù)量(張力腿數(shù)量)為4，其余各結(jié)構(gòu)的參數(shù)見表1，設(shè)定海底樁基為鋼制圓筒中灌注混凝土，上表面與海床平面重合，整體位于海床內(nèi)[18]，塔筒、浮箱、平臺立柱材質(zhì)均為鋼材質(zhì)，相對電阻率為12。當(dāng)雷擊機(jī)組機(jī)艙、葉片等部位時(shí)，雷電流依次流過塔筒、浮力箱、平臺立柱、張力腿、海底錨固基礎(chǔ)，最后流入大地。陸上風(fēng)電機(jī)組的接地電阻為接地極的對地電阻與接地線路的總電阻之和，而海上風(fēng)電機(jī)組的接地電阻計(jì)算方法與此稍異，水面以下的結(jié)構(gòu)總電阻即為接地電阻，海水相當(dāng)于土壤為散流介質(zhì)。

圖2 TLP漂浮式風(fēng)電機(jī)組詳細(xì)結(jié)構(gòu)Fig.2 TLP floating wind turbine detailed structure

表1 TLP漂浮式風(fēng)電機(jī)組各部件尺寸Table 1 Dimensions of components of floating wind turbine

在CDEGS軟件中按照表1參數(shù)建立的機(jī)組接地體模型見圖3，其中張力腿、平臺立柱等結(jié)構(gòu)的截面尺寸在軟件中可以通過調(diào)整設(shè)置參數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)，根據(jù)氣象部門的相關(guān)資料設(shè)置海水平均水位位于浮箱下表面以上5 m處，初始設(shè)置海水電阻率為1 Ω·m，海床電阻率為200 Ω·m。在下文中將探討海平面高低、海水電阻率、海床電阻率等參數(shù)對機(jī)組接地電阻的影響。

圖3 在CDEGS中建立的機(jī)組接地體模型Fig.3 Grounding body model of unit built in CDEGS

2 海上風(fēng)電機(jī)組接地電阻的計(jì)算

根據(jù)《交流電氣接地裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50065-2011)中的相關(guān)規(guī)定，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工頻接地電阻值一般不應(yīng)大于4 Ω，根據(jù)上一節(jié)中對TLP漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組的接地系統(tǒng)初始建模參數(shù)，計(jì)算得到機(jī)組的工頻接地阻抗值為0.162 98 Ω，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值，但為了檢驗(yàn)當(dāng)影響機(jī)組接地電阻的不同因素發(fā)生變化時(shí)接地電阻是否也能符合標(biāo)準(zhǔn)，故在本節(jié)中將探討海平面高低、海水電阻率、海床電阻率以及其他相關(guān)因素對TLP漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組接地電阻值的影響。

2.1 海平面高低

假設(shè)海水的電阻率分布均勻，為1 Ω·m恒定值，采用控制變量法研究海水平面高度對于機(jī)組接地電阻的影響，以上節(jié)中海平面平均高度值作為參考平面，即海平面位于機(jī)組浮箱以上10 m位置處為0 m海平面，以某海域海平面高度變化情況為例，根據(jù)氣象部門提供的相關(guān)歷史數(shù)據(jù)，分析海水漲落時(shí)機(jī)組接地電阻值的變化趨勢，機(jī)位處極端高水位為3.5 m，極端低水位為-2.5 m，機(jī)組設(shè)計(jì)最高水位值為4 m，設(shè)計(jì)最低水位值為-4 m，通過在CDEGS中更改機(jī)組接地系統(tǒng)模型的土壤電阻率分層參數(shù)來模擬海水漲落帶來水位高低對機(jī)組接地電阻值變化，仿真過程中設(shè)置機(jī)組接地系統(tǒng)所處為兩層土壤模型，上層土壤電阻率為1 Ω·m，用來模擬海水層；下層土壤電阻率為200 Ω·m，用來模擬海床土壤。圖4繪制出了機(jī)組接地電阻值隨海水水位高度變化趨勢，可見隨著海水水位逐漸升高時(shí)，機(jī)組極低電阻值呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，當(dāng)海水水位由極端最低上升至極端最高時(shí)，水位共上升了6 m，而接地電阻值由0.185 5 Ω降至0.145 06 Ω，降低了21.8%。當(dāng)機(jī)位處海水平面高度在極端最低水位與極端最高水位之間變化時(shí)，接地電阻值均小于4 Ω，符合標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。但是平均水位下與極端最低水位下相比，接地電阻增加了15.9%，可見水位高度對機(jī)組接地電阻值的影響較大，在進(jìn)行TLP漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組的接地電阻評價(jià)時(shí)，必須將海水水位的變化情況充分納入考慮范圍。

圖4 接地電阻隨海平面高度變化曲線Fig.4 Change curve of grounding resistance with sea level height

2.2 海水電阻率

文獻(xiàn)中在對高樁承臺式、導(dǎo)管架式海上風(fēng)電機(jī)組的接地電阻進(jìn)行分析時(shí)，同樣模擬了海水電阻率對接地電阻值的影響，但是將海水電阻率視為均勻電阻率介質(zhì)。其實(shí)在實(shí)際環(huán)境下的海水電阻率由于海水收到光照不均、對流等因素的影響，往往呈現(xiàn)出電阻率分層結(jié)構(gòu)，上部海水受到陽光照射溫度較高，深層海水水溫較低，海水可近似視為電解質(zhì)溶液，溫度高則電阻率低，反之則電阻率高[19]，故在對海水電阻率影響機(jī)組接地電阻的分析環(huán)節(jié)中，將海水分為3層電阻率結(jié)構(gòu)，加海床1層，接地系統(tǒng)所處環(huán)境共被分為4層電阻率模型進(jìn)行分析，表2中列出了海水電阻率的5種變化情況及其計(jì)算得到的接地電阻值，第1種海水電阻率模型中，頂層電阻率為0.3 Ω·m，厚度10 m；中層底電祖率為0.6 Ω·m，厚度20 m；底層海水電阻率1 Ω·m，厚度35 m?？紤]到海水的最大電阻率基本上不超過5 Ω·m，設(shè)置海水電阻率的變化為線性增加，剩余4種海水電阻率是在第1種海水電阻率分層電阻率乘以線性系數(shù)。當(dāng)海水電阻率增大一倍時(shí)，接地電阻增加了88.4%；當(dāng)海水電阻率水平增大4倍時(shí)，接地電阻增加了289%，可見接地電阻值的變化與海水電阻率的變化并不是呈線性關(guān)系。在海水電阻率最大的第5種情況下，接地電阻值最大，為0.596 24 Ω，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4 Ω。

表2 5種海水電阻率分層模型及其對應(yīng)的接地電阻值Table 2 Five resistivity stratification models of seawater and their corresponding grounding resistance values

2.3 海床電阻率

由于TLP漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組的張力腿下端固定在海床中的錨固基礎(chǔ)，有一部分故障電流通過錨固基礎(chǔ)散流入海床中，所以海床的電阻率也會影響接地電阻的阻值，本小節(jié)研究海床土壤電阻率變化時(shí)的機(jī)組接地電阻變化情況，將海水水位高度設(shè)置為平均高度不變，海水分層電阻率選擇 2.2小節(jié)中的第5種情況，將海床的土壤電阻率設(shè)置從50 Ω·m開始，逐漸增大至3 000 Ω·m，接地電阻阻值隨海床土壤電阻率的增大而增大，見圖5，當(dāng)海床土壤電阻率在50 Ω·m到300 Ω·m間變化時(shí)，接地電阻的變化較為明顯，接地電阻由0.099 4 Ω·m增至0.149 3 Ω，增加了50.2%；當(dāng)海床土壤電阻率大于500 Ω·m時(shí)，接地電阻的變化曲線接近水平，變化速率很小，當(dāng)土壤電阻率從500 Ω·m增加到3 000 Ω·m時(shí)，接地電阻由0.164 35 Ω增至0.207 95 Ω，增加了27.5%，各種海床土壤電阻率參數(shù)下接地電阻值均小于GB/T 50065-2011中的規(guī)定值。

圖5 接地電阻隨海床土壤電阻率變化曲線Fig.5 Change curve of grounding resistance with seabed soil resistivity

2.4 海洋深度

常見的高樁承臺式、導(dǎo)管架式等固定類海上風(fēng)電機(jī)組主要適用于淺海、潮間帶等水位較淺地域，而TLP漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組則可應(yīng)用于相對較深海域，上文對機(jī)組接地電阻的計(jì)算過程中，均將張力腿的長度設(shè)置為45 m，在本小節(jié)中為了探討機(jī)組安裝于不同深度海域時(shí)的接地電阻變化情況，通過設(shè)置不同的張力腿長度來實(shí)現(xiàn)。見圖6，當(dāng)張力腿的長度由20 m增加到150 m的過程中，接地電阻逐漸降低，張力腿的長度越短，即海水越淺，接地電阻值越大。海洋深度與海平面高度對接地電阻的影響類似，都是通過增加接地體與海水接觸面積達(dá)到降低接地電阻的效果，海水越深，張力腿與海水的接觸面積越大，則接地電阻值越小，但是隨著張力腿長度的不斷增加，接地電阻值的降低越來越不明顯，這一點(diǎn)從圖6也可以看出。

圖6 接地電阻隨張力腿長度變化曲線Fig.6 Change curve of grounding resistance with tension leg length

2.5 其他因素

除了上文中分析的4種主要影響因素外，與接地電阻值相關(guān)的因素還有海底錨固基礎(chǔ)的尺寸以及平臺立柱(張力腿)數(shù)目等，在第1節(jié)中缺省設(shè)置的基礎(chǔ)上調(diào)整海底錨固基礎(chǔ)的尺寸以及平臺立柱(張力腿)數(shù)目。研究海底錨固基礎(chǔ)參數(shù)對接地電阻影響的過程中，選擇固定長度變直徑、固定直徑變長度兩種不同的控制變量策略，接地電阻值隨海底錨固基礎(chǔ)的變化值見表3，可見當(dāng)海底錨固基礎(chǔ)的直徑、長度變化時(shí)，接地電阻值受其影響較小，電阻值上下浮動范圍不超過1.5%。結(jié)合上文對影響接地電阻值因素的分析，海底錨固基礎(chǔ)尺寸之所以對接地電阻值影響較小，是因?yàn)楹Ｋ娮杪蔬h(yuǎn)小于海床土壤電阻率，而海底錨固基礎(chǔ)直接與海床土壤相接觸，故浮箱、張力腿與海水間的接觸對接地電阻低水平化的貢獻(xiàn)較大。在第1節(jié)的模型簡化中選擇TLP漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組的平臺立柱(張力腿)數(shù)目為4，沿圓周互成90°夾角分布，除此之外，還有應(yīng)用3條張力腿的漂浮式機(jī)組，3條張力腿沿圓周互成120°，保持剩余設(shè)置不變，3條張力腿時(shí)機(jī)組的接地電阻值由0.162 98 Ω增至0.201 65 Ω，增加了23.7%，也進(jìn)一步校驗(yàn)了張力腿可以有效降低接地電阻。

表3 不同海底錨固基礎(chǔ)尺寸及其對應(yīng)接電阻值Table 3 Different sizes of anchoring foundation and their corresponding resistance values

3 結(jié)論

筆者選擇將張力腿漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組的錨泊系統(tǒng)作為機(jī)組的自然接地體，當(dāng)外部因素和機(jī)組內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時(shí)，在各種因素均為最惡劣的情況下，機(jī)組的接地電阻值均能達(dá)到GB/T 50065-2011規(guī)定的小于4 Ω 水平，表明該種接地方法具有可行性。機(jī)組接地電阻值隨著海水水位的升高而降低，隨著海水電阻率的降低而降低，隨著海床土壤電阻率的升高而增大，隨著張力腿的長度增加而降低，此外海底錨固基礎(chǔ)尺寸和張力腿數(shù)量對接地電阻值也有一定影響。

筆者僅研究了不同因素對張力腿漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組接地電阻值的影響，并未對故障電流在接地體中的具體流動做進(jìn)一步分析，未對機(jī)組內(nèi)二次側(cè)設(shè)備在故障電流散流時(shí)的耐壓特性進(jìn)行分析，這些均為項(xiàng)目的后續(xù)研究方向。