鄭 明,陸 瑩,梁嘉浩,郭亞勛,劉 剛,江曉鋒,劉峻岐
(1.廣東省電力設(shè)計(jì)院,廣州510663;2.華南理工大學(xué),廣州510641)
海上風(fēng)電場(chǎng)電纜-架空線輸電系統(tǒng)雷擊過(guò)電壓暫態(tài)分析
鄭 明1,陸 瑩1,梁嘉浩2,郭亞勛2,劉 剛2,江曉鋒2,劉峻岐2
(1.廣東省電力設(shè)計(jì)院,廣州510663;2.華南理工大學(xué),廣州510641)
為了研究大型海上風(fēng)電場(chǎng)海底電纜-架空線輸電系統(tǒng)雷擊過(guò)電壓的問(wèn)題,在充分研究輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,使用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建暫態(tài)計(jì)算模型。考慮工頻電壓對(duì)雷擊過(guò)電壓的影響,重點(diǎn)研究分析了電纜長(zhǎng)度、桿塔接地電阻、雷擊距離、雷電流幅值等因素對(duì)暫態(tài)過(guò)電壓的影響及其原因。仿真結(jié)果和分析表明:桿塔接地電阻和雷電流幅值的增大、雷擊距離和電纜長(zhǎng)度的減小會(huì)導(dǎo)致雷擊過(guò)電壓的增大。考慮避雷器的優(yōu)化配置,能有效抑制海底電纜首末兩端的過(guò)電壓幅值,相關(guān)結(jié)論為海上風(fēng)電場(chǎng)電氣系統(tǒng)的防雷絕緣設(shè)計(jì)提供了一定參考。
雷擊過(guò)電壓;海底電纜;架空線;PSCAD/EMTDC;接地電阻;雷擊距離;避雷器
海上風(fēng)電場(chǎng)的電纜埋設(shè)于海底,一旦海底高壓電纜發(fā)生故障而停運(yùn),就會(huì)帶來(lái)很大的維修困難及巨大的經(jīng)濟(jì)損失。海底電纜雖難以直接受到雷擊,但當(dāng)架空線路受到雷擊時(shí),雷電侵入波便沿架空線路傳播至海底電纜。同時(shí),考慮到海底電纜和架空線路參數(shù)不同導(dǎo)致波阻抗不一致,行波折反射現(xiàn)象不可忽略[1],導(dǎo)致海纜兩端承受較大的過(guò)電壓。
目前國(guó)內(nèi)針對(duì)架空線路雷擊暫態(tài)的研究較多,楊九文、黃中華[2-3]等分別對(duì)不同電壓等級(jí)的架空線雷擊耐雷性能進(jìn)行了計(jì)算研究,而張曉華、黃文武、陳國(guó)慶、杜林[4-7]等則針對(duì)影響雷擊過(guò)電壓的桿塔多波阻抗模型進(jìn)行模擬計(jì)算,但對(duì)于貓頭塔、酒杯塔等新型桿塔研究較少,也缺乏高電壓、長(zhǎng)距離的海底電纜-架空線路系統(tǒng)遭受雷擊的暫態(tài)分析研究。
筆者主要利用PSCAD/EMTDC仿真軟件對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)電纜-架空線輸電系統(tǒng)雷擊過(guò)電壓進(jìn)行研究。實(shí)際中的工頻電壓對(duì)雷擊跳閘率有所影響[8],因此本文考慮加入工頻電壓下對(duì)雷擊過(guò)電壓的研究,搭建輸電線路、桿塔、絕緣子、雷電流等模型,并在此基礎(chǔ)上對(duì)300 MW海上風(fēng)電場(chǎng)海底電纜雷電侵入波及其保護(hù)措施進(jìn)行仿真研究,結(jié)論對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)具有一定參考價(jià)值。
仿真搭建的300 MW海上風(fēng)電場(chǎng)外部輸電系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。
圖1 海上風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)接線圖Fig.1 Connection diagram of offshore wind farm system
由于不考慮風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu),風(fēng)電機(jī)組群直接用300 MW負(fù)載等效。升壓變壓器采用PSCAD/EMTDC軟件中自帶的UMEC變壓器模型,變比為35 kV/220 kV,繞組接線方式采用YNd11,變壓器漏抗標(biāo)幺值為0.0399。而電纜各層對(duì)雷擊暫態(tài)過(guò)電壓有影響[9],筆者選用的型號(hào)為HYJQ41、截面積1 000 mm2的3根單芯海底高壓長(zhǎng)海纜連接陸上集控中心并進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,隨后傳送至架空線連接至系統(tǒng)變電站。為研究方便,筆者設(shè)置兩段相同架空線路,雷電直擊點(diǎn)位于連接兩段架空線路之間的桿塔。架空線路參數(shù)按照國(guó)標(biāo)[10]設(shè)置,見(jiàn)表1[11]。
表1 架空線路參數(shù)Table 1 Parameters of overhead lines
在直擊雷的防雷計(jì)算研究中,輸電線路的過(guò)電壓與桿塔模型有著密切的聯(lián)系。在研究初期多使用集中電感模型,但無(wú)法反映雷電流在桿塔上的傳播過(guò)程以及反射波對(duì)桿塔各節(jié)點(diǎn)電位的影響[12]。改進(jìn)得到的桿塔單一波阻抗模型考慮了雷電波從塔頂運(yùn)動(dòng)到塔基的時(shí)間因素[13],但實(shí)際上雷電流在桿塔上流過(guò)時(shí),不但與桿塔的自身結(jié)構(gòu)相關(guān),更與電流波在桿塔上行進(jìn)有關(guān)。綜合桿塔的參數(shù)和行波的特性,研究者提出了多波阻抗模型。
典型的桿塔有鼓型塔、酒杯塔和貓頭塔等,目前研究中采用鼓型塔較多,對(duì)于貓頭塔、酒杯塔等研究較少,筆者采用的貓頭塔多波阻抗模型[14]示意圖見(jiàn)圖2。
圖2 貓頭塔模型示意圖Fig.2 A schematic model of maotou tower
主支撐部分阻抗為
支撐部分阻抗為
橫擔(dān)波阻抗為
式中:hk為桿塔第k部分支柱對(duì)地高度;rek為桿塔第k部分多導(dǎo)體系統(tǒng)的等效半徑;rTk為桿塔第k部分支柱半徑;rB為桿塔底部支柱半徑;RTk為桿塔第k部分兩鄰近支柱間的距離;RB為桿塔底部?jī)舌徑еg的距離;rAk為桿塔第k部分橫擔(dān)等效半徑。
以2A-ZM1型貓頭塔為例,根據(jù)以上計(jì)算方法[15],其參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2和表3。
表2 貓頭塔參數(shù)Table 2 Parameters of maotou tower
在雷電放電的過(guò)程中,當(dāng)先導(dǎo)過(guò)程結(jié)束,雷電回?fù)糸_(kāi)始時(shí),先導(dǎo)通道轉(zhuǎn)變?yōu)橹鞣烹娡ǖ馈<僭O(shè)主放電通道為電感、電容均勻分布的導(dǎo)電通道,其波阻抗為Z0?;?fù)暨^(guò)程則可以看作電壓為u0=i0Z0的行波。由彼德遜等值電路可知,回?fù)暨^(guò)程可以等效為圖3的電流源電路。Z為被擊物體與大地之間的阻抗。
表3 貓頭塔波阻抗Table 3 Wave impedance of maotou tower
圖3 主放電等值電流源電路Fig.3 Main discharge equivalent current source circuit
雷電流模型是防雷分析的重要工具,目前研究中多使用Heidler模型、脈沖函數(shù)模型和雙指數(shù)波模型3種雷電流模型。其中,雙指數(shù)波模型相較前兩種模型,易于積分和微分,大大降低使用難度,而且可以很好地?cái)M合雷電波形,所以研究中多使用雙指數(shù)波模型。
標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波的波頭部分可用雙指數(shù)函數(shù)表示為
式中:Im為雷電流峰值;i為雷電流瞬時(shí)值;α為波前系數(shù);β為波尾系數(shù);k為波形的校正系數(shù)。
筆者采用國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的1.2/50 μs雷電流沖擊波[16]。根據(jù)定義列出方程組[17],解得參數(shù)值見(jiàn)表4,在PSCAD軟件中搭建模型見(jiàn)圖4。
表4 標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形(1.2/50 μs)參數(shù)Table 4 Parameters of standard lightning current wave(1.2/50 μs)
目前研究中絕緣子串閃絡(luò)判據(jù)主要有規(guī)程法(也稱比較法)和相交法。其中,規(guī)程法[18]是指我國(guó)規(guī)程中通過(guò)比較絕緣子串兩端出現(xiàn)的過(guò)電壓與絕緣子串50%沖擊放電電壓的方法作判斷標(biāo)準(zhǔn),即當(dāng)前者大于后者時(shí),絕緣將發(fā)生閃絡(luò)。絕緣子串50%沖擊放電電壓可用下式描述[19]:
式中:U50%為絕緣子串50%沖擊放電電壓,kV;L為絕緣子串長(zhǎng)度,m。本文取L=2.34 m。
圖4 雷電流模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of lightning current model
目前更廣泛用于判斷絕緣子串閃絡(luò)的方法是相交法。該方法是指通過(guò)比較絕緣子串上的過(guò)電壓與標(biāo)準(zhǔn)沖擊波下(1.2/50 μs)得到的絕緣子伏秒特性曲線是否相交,由此來(lái)判斷絕緣子串是否閃絡(luò),如圖5所示。伏秒特性曲線采用Darveniza等人提出的用絕緣子串長(zhǎng)度的函數(shù)[20]來(lái)描述絕緣子串的伏秒特性。
式中:U(t)為絕緣子串閃絡(luò)電壓,kV;L為絕緣子串長(zhǎng)度,m。本文取L=2.34 m;t為電壓作用時(shí)間,一般為0.5~16 μs。
圖5 相交法判斷絕緣子串閃絡(luò)Fig.5 Intersection method to judge the flashover of insulator strings
因此,筆者在建立絕緣子閃絡(luò)模型時(shí)規(guī)定,當(dāng)以上任一種判據(jù)成立時(shí),即可判斷絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。仿真軟件中絕緣子閃絡(luò)判據(jù)模型見(jiàn)圖6。
實(shí)際上雷擊點(diǎn)的位置是隨機(jī)的,但只要滿足規(guī)范要求,就不會(huì)引起避雷線與導(dǎo)線之間的閃絡(luò)[21-24],同時(shí)考慮塔頂位置較高,因此,筆者在仿真計(jì)算中主要考慮雷擊桿塔塔頂?shù)那闆r,研究電纜長(zhǎng)度、桿塔接地電阻、雷擊距離(即雷擊點(diǎn)距離電纜首端的距離,下同)、雷電流幅值等因素[12]對(duì)海底電纜兩端雷電侵入波過(guò)電壓的大小。同時(shí),筆者結(jié)合桿塔波阻抗分布和仿真計(jì)算結(jié)果,得到本例中雷擊塔頂時(shí)A相電壓最大。統(tǒng)一設(shè)置海底電纜長(zhǎng)度為20 km,兩段架空線路長(zhǎng)度均為10 km,桿塔接地電阻為7 Ω、雷電流幅值為120 kA,測(cè)量海纜兩端A相過(guò)電壓。
圖6 絕緣子閃絡(luò)判據(jù)模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of insulator flashover criterion model
文獻(xiàn)[8]指出,無(wú)論是反擊雷還是繞擊雷,考慮工頻電壓影響的雷擊跳閘率均高于未考慮時(shí)的雷擊跳閘率。實(shí)際上,暫態(tài)過(guò)電壓的大小和初始電壓相角有著密切的關(guān)系[22],當(dāng)雷電過(guò)電壓與工頻電壓波形疊加時(shí),可能導(dǎo)致更高的過(guò)電壓。目前,涉及雷擊過(guò)電壓仿真研究的相關(guān)文獻(xiàn)中,基本上將雷擊發(fā)生時(shí)間設(shè)置為0,即并未考慮系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)工頻電壓影響下的雷擊過(guò)電壓。因此,筆者考慮仿真中對(duì)雷電流模型和絕緣子閃絡(luò)模型同時(shí)加入圖7所示的時(shí)間延遲模塊,使雷擊發(fā)生在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),比較考慮工頻電壓影響下的A相雷擊暫態(tài)過(guò)電壓,結(jié)果見(jiàn)表5和圖8。
圖7 時(shí)間延遲模塊Fig.7 Time delay module
表5 考慮工頻電壓影響的雷擊過(guò)電壓結(jié)果Table 5 The lightning overvoltage results considering the effects of power frequency voltage
圖8 考慮工頻電壓影響的電纜首末端過(guò)電壓波形圖Fig.8 Voltage waveform at both ends of the cable considering the influence of power frequency voltage
結(jié)合以上圖表,不難發(fā)現(xiàn),考慮工頻電壓的影響,當(dāng)工頻電壓相角θ為90°時(shí),即工頻電壓處于最大值,雷擊過(guò)電壓疊加后會(huì)導(dǎo)致暫態(tài)峰值增加;當(dāng)θ=270°時(shí),即工頻電壓處于最小值,雷擊過(guò)電壓疊加后會(huì)使暫態(tài)過(guò)電壓峰值較小,同時(shí)沒(méi)有產(chǎn)生更高的反向電壓。而無(wú)論θ=90°還是θ=270°,工頻電壓都沒(méi)有對(duì)反擊過(guò)電壓波形、海底電纜中過(guò)電壓波振蕩過(guò)程產(chǎn)生明顯影響。在接下來(lái)的研究中,將考慮保持工頻電壓相角為90°,即過(guò)電壓幅值最大的情況,同時(shí)提出在實(shí)際研究中也應(yīng)注意工頻電壓對(duì)雷擊暫態(tài)過(guò)電壓的影響。
保持其他參數(shù)不變,調(diào)整電纜長(zhǎng)度,仿真得到各電纜長(zhǎng)度情況下的電纜首末端過(guò)電壓,結(jié)果見(jiàn)表6和圖9。
表6 電纜長(zhǎng)度對(duì)雷擊過(guò)電壓影響結(jié)果Table 6 Effect of cable length on lightning overvoltage
圖9 電纜長(zhǎng)度對(duì)電纜首末端過(guò)電壓影響波形圖Fig.9 Effect of cable length on the first end of the cable over voltage
結(jié)合以上圖表,可看出:
1)雷擊過(guò)電壓波從架空線進(jìn)入電纜時(shí),由于折射原因,幅值大大降低,只有反擊電壓的幾分之一左右;
2)當(dāng)電纜長(zhǎng)度較短時(shí),電纜的首末兩端的暫態(tài)過(guò)電壓幅值大小基本相等,這是由于電纜長(zhǎng)度較小時(shí),雷電侵入波波頭走過(guò)電纜全長(zhǎng)所需的時(shí)間小于本身波尾時(shí)間,在波尾通過(guò)電纜以前將有多次折反射疊加,電纜和變壓器承受的過(guò)電壓有可能達(dá)到很高的數(shù)值,見(jiàn) 圖9(a);
3)當(dāng)電纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí),折射反射次數(shù)較少,見(jiàn)圖9(b)。由于反擊過(guò)電壓波在架空線路靠近電網(wǎng)側(cè)桿塔連接處發(fā)生反射和侵入波電纜末端反射波的疊加,電纜首端過(guò)電壓峰值出現(xiàn)在第二個(gè)折反射波里。目前文獻(xiàn)多數(shù)只研究電纜首末兩端前0.2 ms的波形,考慮欠缺周全;
4)另外,當(dāng)電纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí),針對(duì)電纜首末端過(guò)電壓的首個(gè)峰值,海纜末端電壓超過(guò)首端電壓,但低于首端電壓兩倍值,這是由于末端為變壓器和負(fù)載,其波阻抗不是無(wú)窮大,侵入波在電纜末端沒(méi)有發(fā)生全反射。
保持其他參數(shù)不變,調(diào)整桿塔接地電阻,仿真得到各接地電阻情況下的電纜首末端過(guò)電壓,結(jié)果見(jiàn)表7。
表7 桿塔接地電阻對(duì)雷擊過(guò)電壓影響結(jié)果Table 7 The tower grounding resistance on lightning overvoltage effect
結(jié)果表明,電纜的首末端過(guò)電壓隨著接地電阻的增加而增加。原因是在相同雷電流情況下,接地電阻越大,桿塔橫擔(dān)上承受的暫態(tài)過(guò)電壓越大,使得發(fā)生閃絡(luò)后架空線中上的暫態(tài)過(guò)電壓越大,即從電纜受到的侵入波幅值也越大。
保持其他參數(shù)不變,調(diào)整受雷擊桿塔與海纜間架空線長(zhǎng)度,從而模擬雷擊點(diǎn)距離電纜首端距離變化的情況,如圖1所示。仿真得到各雷擊距離情況下的電纜首末端過(guò)電壓,結(jié)果見(jiàn)表8。
結(jié)果表明,電纜的首末端過(guò)電壓隨著雷擊距離的增加而減少。原因是當(dāng)架空線中上的反擊暫態(tài)過(guò)電壓相同時(shí),電纜長(zhǎng)度的增大導(dǎo)致過(guò)電壓在電纜的損耗越大。
表8 雷擊距離對(duì)雷擊過(guò)電壓影響結(jié)果Table 8 Effect of lightning strike distance on lightning overvoltage
保持其他參數(shù)不變,調(diào)整雷電流幅值,仿真得到雷電流幅值情況下的電纜首末端過(guò)電壓,結(jié)果見(jiàn)表9。
表9 雷電流幅值對(duì)雷擊過(guò)電壓影響結(jié)果Table 9 Effect of lightning current amplitude on lightning overvoltage
結(jié)果表明,電纜的首末端過(guò)電壓隨著雷電流幅值的增加而增加,原因是雷電流幅值直接影響了架空線中上的反擊暫態(tài)過(guò)電壓,從而使電纜首末端過(guò)電壓增大。
加裝避雷器是抑制雷擊暫態(tài)過(guò)電壓的重要手段,筆者采用PSCAD/EMTDC仿真軟件中ASEA XAP-A型避雷器的伏安特性曲線??紤]避雷器的優(yōu)化配置,對(duì)系統(tǒng)分別采用以下4種不同避雷器布置方式,分別測(cè)量在統(tǒng)一設(shè)置的參數(shù)(海底電纜長(zhǎng)度為20 km,架空線路長(zhǎng)度均為10 km,桿塔接地電阻為7 Ω、雷電流幅值為120 kA)下海纜兩端的雷擊過(guò)電壓,結(jié)果見(jiàn)表10。表10中,方式一為海纜首末兩端均不裝設(shè)避雷器;方式二為僅在海纜首端裝設(shè)避雷器;方式三為僅在海纜末端裝設(shè)避雷器;方式四為海纜首末兩端均裝設(shè)避雷器。
相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[21]對(duì)不同電壓等級(jí)電纜的主絕緣雷電沖擊耐受電壓有明確規(guī)定,對(duì)于220 kV電纜,其主絕緣雷電沖擊耐受電壓為950~1 050 kV。在本文統(tǒng)一設(shè)置的參數(shù)下,無(wú)論是否配置避雷器,海纜首末兩端過(guò)電壓幅值均未超過(guò)其主絕緣水平[23],但海纜末端過(guò)電壓值僅略低于主絕緣水平,而分析以上數(shù)據(jù),配置避雷器能有效抑制其過(guò)電壓幅值,因此建議,通過(guò)考慮避雷器的優(yōu)化配置以對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。
表10 配置避雷器對(duì)暫態(tài)過(guò)電壓的抑制Table 10 Configuration of surge arrester for transient overvoltage suppression
運(yùn)用PSCAD/EMTDC軟件搭建海底電纜-架空線路雷擊暫態(tài)仿真模型,桿塔方面采用目前研究較少的貓頭塔,并考慮工頻電壓對(duì)暫態(tài)過(guò)電壓的影響,針對(duì)架空線路遭受雷擊后對(duì)海底電纜的雷電侵入波過(guò)電壓進(jìn)行了仿真計(jì)算分析,得到暫態(tài)過(guò)電壓與以下幾個(gè)因素有關(guān)。
1)對(duì)工頻電壓的考慮:當(dāng)工頻電壓相角α為90°時(shí),雷擊過(guò)電壓疊加后會(huì)導(dǎo)致暫態(tài)峰值增加,但不會(huì)對(duì)波形趨勢(shì)產(chǎn)生影響。
2)電纜長(zhǎng)度:當(dāng)電纜長(zhǎng)度較短時(shí),電纜的首末兩端的暫態(tài)過(guò)電壓幅值大小基本相等,隨著電纜長(zhǎng)度的增加,電纜的首末兩端的暫態(tài)過(guò)電壓幅值均減少,且海纜末端過(guò)電壓超過(guò)首端電壓。
3)桿塔接地電阻:隨著桿塔接地電阻增大,電纜的首末兩端的暫態(tài)過(guò)電壓幅值增大。
4)雷擊距離:隨著雷擊距離增大,電纜的首末兩端的暫態(tài)過(guò)電壓幅值增大。
5)雷電流幅值:隨著雷電流幅值增大,電纜的首末兩端的暫態(tài)過(guò)電壓幅值增大。
在本文統(tǒng)一設(shè)置的參數(shù)(海底電纜長(zhǎng)度為20 km,兩段架空線路長(zhǎng)度均為10 km,接地電阻為7 Ω、雷電流幅值為120 kA)下,仿真得到海纜末端過(guò)電壓幅值約為940 kV,略低于其主絕緣水平。對(duì)于雷擊暫態(tài)過(guò)電壓的抑制措施,仿真結(jié)果表明,考慮避雷器的優(yōu)化配置能有效降低海纜首末兩端的過(guò)電壓幅值。
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Transient Analysis of Lightning Overvoltage of Cable-Overhead Line Transmission System in Offshore Wind Farm
ZHENG Ming1,LU Ying1,LIANG Jiahao2,GUO Yaxun2,LIU Gang2,JIANG Xiaofeng2,LIU Junqi2
(1.Guangdong Electric Power Design Institute,Guangzhou 510663,China;2.South China University of Technology,Guangzhou 510641,China)
In order to study the lightning overvoltage problems of the submarine cable-overhead power transmission system in large offshore wind farm,based on fully research the transmission system structure,PSCAD/EMTDC simulation software is used to build a transient calculation model.Consider?ing the effects of power frequency voltage on lightning overvoltage,we focus on analyzing the length of ca?ble,tower grounding resistance,the distance from the lightning,lightning current amplitude of transient overvoltage.The simulation results and analysis show that the increase of the grounding resistance and the lightning current amplitude,the decrease of the distance and the length of the cable can lead to the in?crease of the lightning overvoltage.Considering the optimized configuration of the lightning arrester,we can reduce the overvoltage amplitude of the submarine cable at both ends,the relevant conclusions for the offshore wind farm electrical system design provides a certain reference for the lightning protection.
lightning overvoltage;submarine cable;overhead line;PSCAD/EMTDC;grounding re?sistance;lightning striking distance;surge arrester
10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.008
2016-08-28
鄭明(1982—),男,高級(jí)工程師,現(xiàn)從事火電、核電及新能源項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作。
廣東省科技計(jì)劃資助研究項(xiàng)目(編號(hào):2013B010405002)。