海上风电场雷击二次损伤的研究

海上风电场雷击二次损伤的相关研究

1 本课题研究背景及意义

1.1海上风电的优势

风电是目前世界上发展速度最快、最具竞争力的可再生能源，我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿千瓦，其中，陆地上风能储量约2.53亿千瓦,，近海可开发和利用的风能储量约7.5亿千瓦。近年来国内陆上风电飞速发展，风电场逐渐趋于饱和，陆上风机遭遇到电网消纳能力瓶颈，且受土地资源、风资源、噪声与环境等因素的制约越来越明显。

与陆地相比，海上风能资源风速更大、湍流度更低，风向更稳定、对环境影响较小，且海上风电场往往靠近能源需求较大的沿海发达城市，海面可利用面积广阔，不占用土地等的优势，已逐渐成为未来风电发展的必然趋势[1-2]。

1.2 海上风电的发展

在20世纪70年代，国外开始探索海上风力发电技术，至1990年，丹麦开始建设世界上首座海上风电场Vendeby，并于1991年正式投入运行。2003年，丹麦建成全球首座真正的大型海上风电场Horns Rev，该电场总装机容量为160 MW；2013年，英国建成现今规模最大的海上风电场London Array 1，该电场装设有175台3.6 MW风力发电机，其现有总装机容量达到630 MW。至今，全球海上风力发电行业仍然以欧洲为发展中心，它们在海上风电发展进程中有着重要的地位。而美国的海上风电发展相对比较滞后，近些年，由于受到欧洲海上风电事业蓬勃发展的刺激，美国风电产业也开始由陆上风电转向对海上风电的开发与利用，2010年4月美国政府批准建设国内首座海上风电场Cape Wind。

截止至2013年底，国外海上风电新增装机容量达到1721MW，累计装机容量为6832 MW，其中，英国占据海上风电新增装机容量市场的47 %的份额，新增装机容量为805MW，欧洲海上风电累计装机容量占国外累计装机容量的96.05 %。就新增装机容量而言，2013年英国、丹麦、德国和比利时等国家新增装机容量所占比重分别为47.8%、23.7%、13.6%、11%就累计装机容量而言，2013年英国、丹麦、比利时、德国、荷兰、瑞典等 6 个国家的装机容量所占比重分别为56.6 %、19.04 %、8.73 %、7.84 %、3.81 %、3.26 %。

截止2014年底，全球累计风电装机容量达36 955.3万kW，中国并网装机容量达到9 637万kW，累计风电装机容量为11 460.9万kW，占比31%居世界首位。全球累计风电装机容量连续10年保持两位数以上增长，中国更是连续10年以超过20%的速度增长。2014年全球新增装机容量中，中国以23196 MW居首位，占比45.1%，创历史新高。[3]

1.3 典型海上风电场描述

图1-1给出了一个典型的海上风电场模型，其内部集电网络系统采用链形连接方式，其布局就像一个10×8的矩阵，风电场内一共有80台风机，风机端电压为0.69kV，出于对风

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电场规模效益和经济效益的考虑，海上风电场内所安装的风机容量都比较大，其单机容量一般为2-5MW，且每台风机风轮直径大概为100m左右。而为了减轻尾流效应的影响以及减少风机叶片的紊流脉动，每两台相邻风机之间的距离至少是5倍风轮直径大小。每8台风机为一组连接在同一条中压海底电缆馈线上，且由所有馈线所组成的中压集电网络系统的电压等级一般在10-35kV之间。每条海底电缆馈线的电能将传输到汇流母线上，并由33kV的汇流母线将每条馈线的电能汇集在一起，再经过海上变电站升压至110 kV后输送到岸上变电站，最后实现海上风电场的电能并网。

虽然海上风电场的电力集电网络及传输系统和城市配电网的中压地下电缆系统具有相同的设计方式，但是大型海上风电场集电网络的拓扑结构与输电网和配电网的拓扑结构有着明显的差别。其一是，海上风电场的能量流的方向是从低电压端流向高电压端，而城市配网或工业配电系统的能量流方向正好相反，海上风电场的“负载”几乎全都是旋转电机，且风电场内的电机都装配有大量的电力电子装置而伴随有无功和有功功率的变化；其二是，由于海上每年固定时间段内复杂而恶劣的气候条件，随时对海上风电场进行维护和维修很难实现，所以在海上风电场的设计过程中需要保证其经济性的同时也要保证其可靠性。然而，在其它某些方面，海上风电场的输电系统与工业配电系统又有一定的相似点，例如，系统内存在着大量的负荷波动，旋转电机，具备高可靠性以及低维护的要求。除了海上风电场内的一些基础电力设备外，还要求在高压电缆的一端或两端安装无功补偿设备以及在高压电缆的岸上端装设谐波补偿装置。[4]

图1-1 典型海上风电场模型

1.4 海上风电场面临的问题

近十几年来，风电场的规模和风电机组的单机容量都不断增长，风电场的运行安全问题也越来越受到关注。

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雷击是影响风电场运行安全的一个重要因素。德国风电部门对该国风电机组的故障情况进行了统计，结果显示德国风电场每百风机·年的雷击率基本在10%左右，在所有引发风电机组故障的外部因素（如风暴、结冰、雷击以及电网故障等）中雷击约占25%[5]。在我国，雷击损坏情况最严重的是海南东方风电场，近年来仅风机叶片的雷击损坏率就达5.56 片/百片·年[6]。

美国MCG电子公司驻北京首席代表Bruce Glushakow先生（IEEE 成员）指出，“根据一项2002年完成的研究，美国国家可再生能源协会的统计显示，每年有8%的风力涡轮发电机会遭受一次直击雷击[7]。

雷击破坏是导致风力发电系统非计划性停机时间最长的因素，雷击损坏风电机组不仅使维修费用高昂，同时也导致了巨大的发电量损失。国内虽然还没有雷击影响风力发电的系统性统计资料，但从发表的维修文章来看，风力发电系统遭受雷击是常见故障。

实际观察和试验都表明，土壤电阻率是影响雷电放电选择性的一个重要因素，电阻率较小的部位感应出与云层先导反极性电荷要比在其他地方容易，下行先导被吸引到此处的可能性就更大，在此处容易成为落雷点。所以建设在金属矿床、地下水脉附近及潮湿地带的机组更容易受到雷击。

地面上结构体的形状和高度也会影响雷电放电的选择，高结构体尖端部位易于发生电场畸变，使其周围的电场强度增大，在很大程度上影响下行先导头部的发展方向，具有较强的引雷效果。由于风电机组高耸突出的机身和叶片顶端的引雷作用，从雷电放电选择性的角度来看，机组遭受雷击的概率比较大的。

此外，大气条件也能影响雷电放电的选择性。叶片在受到污染后，由于带电粒子的游离作用，利于雷电沿叶片表面放电。

针对如上列举情况，海上风机都极易遭受雷击损伤。

在风电机组附近发生雷击或机组本身直接受到雷击时，由雷电流产生的暂态高电位和电磁脉冲能够通过传导、耦合和感应等方式侵入机组内部，在其电气和控制系统中产生暂态过电压，造成电气和电子设备的损坏。从具体的情况来看，雷电电涌过电压危害机组内电气和电子设备的主要途径有以下四种：

(1)机组的叶片直接受到雷击，引起电气和控制系统中某些部位的暂态电位急剧升高，导致对电气和电子设备的反击。

(2)雷电在电力线路上感应出电涌过电压，并沿电力线路侵入电气设备。 (3)雷电在信号线路上感应出电涌过电压，并沿信号线路侵入电子设备。 (4)雷电电磁脉冲从空间直接辐射到电子设备的内部。

埋设在地下的线路，当其附近地面落雷时，也会被感应出电涌过电压,当风电场内某处落雷时，很容易在距该落雷点较近的机组外部线路上感应出电涌过电压，造成对机组内和风电场内电气和电子设备的损坏。机组受到直接雷击后，当雷电流沿塔筒和接地体流人大地时，塔筒上流过的雷电流在塔内腔空间产生暂态脉冲磁场，布置在这一空间内的电力线路和信号

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线路处于脉冲磁场的感应作用之下，会产生电涌过电压。采用光缆作为信号线路时，在雷电电磁脉冲磁场的感应作用下，光缆金属加强筋和外层金属物上也会感应出电涌过电压。由于雷电流产生的强脉冲磁场从空间直接辐射到电子设备内，引起设备工作失灵或元件损坏。

据国外文献报道，对于雷击时产生的脉冲磁场，当其磁感应强度达到0.07×10-4T时，无屏蔽措施的计算机将会发生误运算；当其磁感应强度超过2.4×10-4T时，无屏蔽措施的计算机将会发生元件损坏[8]。从这些数据可以看出，雷电脉冲磁场对电子设备的空间辐射危害是颇严重的。由于机组所使用的微电子元件集成度不断提高，信息存贮量不断加大，运算的速度不断加快，所以它们对外界的干扰极为敏感，对雷电电磁脉冲和电涌过电压的耐受程度十分脆弱,防护要求越来越高。

当系统设备遭受雷击而发生重大故障导致停机或一些小型的机械或电气元件有故障（比如电流短路或者开关跳闸等）导致风电场停机时，需要配备专门船只、船员和技术人员赴现场进行停机检修。如果是齿轮箱等大部件发生故障，还需要动用大型浮吊进行更换，单次吊装费用高达200多万元，且造成长时间停机，发电量损失很大。停机检修缺点为：发生大故障的风险较大，停机检修所需时间长；不能按计划进行维修；配件供给比较复杂，需要很长的供应时间。此外，受天气影响，运行人员对风电机组及时维修的可能性较低，停机加长，发电损失巨大。因而，对于近海风电场而言，停机维修方案是不可行的。[9]

总而言之，对于海上风机雷击二次损伤的相关研究迫在眉睫。

2 国内外研究现状

虽然国内外对风电机的防雷保护已经进行了一定的研究，但对于风电机组遭受直接雷击时的瞬态过程的研究较少，仅有少量的文献进行了初步的研究，所以，现在对于风电机组遭受雷击瞬态过程的研究，还处于初步探索的阶段。

迄今为止，国内尚没有机构对风力发电系统雷害问题做出系统性研究。关于风力涡轮发电机的雷电保护，最接近的文件是 IEC/TR 61400-24 Ed.1.0en:2002，（风力涡轮机发电系统 - 第 24 部份：雷电防护）该文件提出了三个应重视的危险因素为：

a) 直击雷引起的风叶损坏。这种损坏可以是由于击中风叶的顶端或侧面所引起的。几乎所有的风力涡轮发电机直击雷都会击中旋转中的风叶。

b) 源自于直接击中风叶的雷击或击中与风力涡轮发电机相连接的电力线或数据线的雷击（非直击）的电涌电流的破坏。这些线路包括交流电力线以及电话线或者用于遥控风力涡轮发电机的 SCADA 线。

c) 源自于与将雷电流泄放到“大地”所必需的下引导体相邻近的电路（电力及控制线路）所感应到的高电压的破坏[10]。

IEC/TR 61400-24 也提出了雷击风险评估和防雷保护问题。它的内容包括雷击风力发电系统的资料统计、雷击风险评估、风力发电机系统的变速器、叶片、电气控制系统和人员雷电防护、接地系统等内容，大部分是资料统计和相关建议。没有给出有针对性的二次损伤防护的具体做法。

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元建学等人针对风电场电气系统的提出了一般性的防雷保护措施[11]，由于风力发电机为高耸塔式结构，非常紧凑，发电机、信息系统、控制系统都靠近塔壁，无论风轮、机舱、水平轴、还是尾舵受到雷击，机舱内的发电机及控制系统等设备可能受到机舱的高电位反击，在电源和控制回路沿塔筒引下过程中，也可能受到反击。对发电机及其励磁系统，继电保护和控制系统、通信和信号以及计算机系统都应安装相应的过电压保护装置。

电力和信息回路由机舱到地面并网柜、变流器、塔底控制柜处应采取屏蔽电缆外，还应穿入接地铁管，使反击率降低。各回路应在柜内安装相应防雷装置，这样DBSGP(分流、均压、屏蔽、接地)系统在各节点层层设防。各电气柜采用金属薄板制作，可以有效地防止电磁脉冲干扰，在电源控制系统的输入端，处于暂态过电压防护的目的，采用压敏电阻或暂态抑制二极管等保护设备与屏蔽系统连接，每个电控柜用不小于16 mm2 的多股塑铜线与接地端子连接。

目前对于风电机组的防雷保护研究方法主要归结为两大类。

第一类,理论研究的方法。理论研究的方法就是研究人员通过某种合适的算法,建立风电机组遭受直接雷击的计算模型,通过仿真模拟来研究机组遭受雷击时雷电流分布、电压抬升等电气特性。日本学者利用时域有限差分法对于机组的含接地环的接地体进行了电磁暂态的分析,并得出了环形电极对机组防雷保护的基本特性[12-13]。在国内,中国电力科学研究院的研究人员对于风电机组瞬态特性进行了理论的研究,他们通过对塔体和塔体内的传输线进行建模,提出了一种“塔筒-传输线”模型[14]，对分布电容引起的过电压进行了数值计算分析,得出了风电机组的雷击过电压的基本规律;还有研究人员对风电机组的接地网的参数进行计算,基于矩量法的接地网等电位数值计算方法和场路结合思想的接地网的不等电位数值计算方法,建立了风电机组的接地网工频参数计算模型,并用MATLAB软件编制了相应的计算程序,以计算接地网的防雷保护的相关参数[15]；此外还有研究人员建立风电场接地网的参数和模型,对机组遭受雷击时雷电过电压的情况进行分析[16]。

第二类，试验研究的方法。所谓试验研究就是通过某种设备来模拟雷电，使之作用在实际的风电机组上，利用某种测量设备对机组的相关参数进行实地的测量，通过对试验的测量结果进行分析，来研究这一雷电瞬态过程。例如：德国研究人员Sebastian G M Kramer和Bastian Lewke等发明了一种光纤传感器[16]，他们将光纤传感器置于风电机的不同部件上，来测量风电机组遭受雷击时电磁场分布的情况。日本Kazuo Yamamoto和TakuNoda等研究人员按照一定缩小比例的尺寸[17]，来搭建风力发电机组模型，利用模拟试验测量机组模型中雷电过电压，进而将从模拟试验中得出的结论,应用到实际机组上。

风力发电机组主要部件中雷击毁坏率最高的是电控系统，毁坏率高达40%~50%[18]。电控系统防雷主要包括电源系统的保护和信号线路的保护，在风机遭到雷击的情况下，雷电侵入波可以通过空间暂态磁场或反击侵入控制系统，造成电子设备的损坏，通过抑制暂态磁场的出现发展出很多电子设备的保护方法，其中最为有效的办法为安装浪涌保护器（SPD），其工作原理与避雷器相似[19]。在应用数字计算机对雷电暂态进行仿真计算时，风电机组的

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建模对仿真结果有很大的影响。风机塔体内的传输线路布置方位靠近塔筒壁，这样增加了两者间的分布电容，研究人员在考虑两者间分布电容的基础上提出了“塔筒-传输线”模型[20]，通过这一模型可以分析得出雷电流经塔体入地过程中的暂态电压规律。文献[21]利用这种模型对控制系统雷电暂态过电压现象进行了研究。在研究风电机组内电子设备的雷电电磁干扰时需要对塔筒进行更加精细的建模，将塔筒等效为一个耦合的电网络，求解各单元电路中流过的暂态雷电流，再根据电磁场的理论知识根据在暂态变化的电流求出空间的暂态磁场分布

[14]

。在雷电击中风机后，雷电流沿塔筒注入风电场接地网的过程中会造成地电位的抬升，

地电位的抬升同样会造成风机塔体内设备的损坏，将造成严重的后果。文献[22]中通过建立相关的风电场接地网模型，对雷击暂态过电压进行了计算分析，根据风电场设计时的要求，风电场内各风机的接地体相互连接，这样当一台机组的接地体上出现暂态过电压时，暂态过电压会沿接地网流向其他机组，给其他机组造成威胁。文献[23]的作者根据葡萄牙的雷电参数进行仿真分析，研究非直击雷对风电机组的影响。意大利学者从电磁场的角度研究了风电机组的非直击雷保护，分析不同类型雷电通道对电磁场的影响[24]。此外，还有研究人员设法通过现有雷电活动的统计数据，利用遗传算法计算出风电机组和塔体内电子元件最佳的安装位置，但此研究方法还未应用于工程实例当中。

因此建立适当的模型对于风电场的过电压研究至关重要。风电场中需要应用电磁暂态程序建立的模型有：

（a）雷电流及雷电通道模型

（b）风机模型（包括桨叶、塔筒、轴承及各连接部分） （c）风电场接地系统

（d）场内输电线路及电缆线路 （e）避雷器模型 （f）变压器模型等

3 研究方向

3.1 状态监测

电力设备是电力系统最基础也是最重要的组成部分，为保证电力系统的安全运行，需要对系统内的设备运行状态进行的监视与检测。监测的目的是在设备出现故障或者工作性能满足不了正常工作要求的情况前,提前发现设备的各类劣化征兆，及时调整运行策略，合理安排维护、更换等工作。

近年来先进的计算机技术和传感器技术取得了长足的进步，为电力设备的智能式和预警式的监测、检修制度的建立提供了可能。微电子技术和材料技术的发展，让更多的非电参量的监测(热学、力学、化学量)和非结构化参量的监测(视频、图像、声音)等加入到电力设备监测中来。计算机技术和通讯技术的发展则为数据的传输、计算、处理、分析提供了有力的工具。

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状态监测对于雷击引发的二次损伤能够实时检测并反馈，对于雷击位置，以及雷击造成的损伤等信息进行存储以供分析。状态检测的优点为：部件能最大限度的被利用，停机概率较低，检修方案可计划执行，部件供给比较方便。此外，状态监测可及时发现极端外部条件如雷击，从而可触发风电机组产生控制保护，避免产生重大损坏。缺点为对部件的剩余使用寿命要有可靠的信息；对状态检修的软硬件要求较高。目前的状态监测已经从过去的纠错性维护向预测性维护方向发展。

3.2 大数据

对于大数据(big data)的定义，目前并没有一个统一的结论。研宄机构Gartner的定义是：大数据是指需要新处理模式才能具有更强的决策力、洞察发现力和流程优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产。

大数据是继物联网、云计算之后前最炙手可热的科技概念。大数据的产生得益于互联网、云计算云存储、物联网的飞速发展和广泛应用，利用无所不在的移动网络、智能传感器、射频识别等技术，人和物的所有轨迹都可以被记录。而这些数量庞大、类型丰富的数据即是大数据。在电力行业中，数据量最多的是电力设备状态监测数据。

随着智能电网与物联网技术的相互渗透、深度融合和广泛应用，使得对电力设备的全景状态监测成为了可能。经过近十年的发展，在线监测系统已被广泛应用在电力设备的状态监测中，对保障电网安全、稳定运行，起到了重要的安全监控作用，但电力设备状态监测面对海量在线监测数据以及其他状态监测数据时“数据海量，信息缺乏”的问题严重制约了状态监测的使用效果。

在大数据的背景下，利用好海上风电场的检测数据，为海上风电场的安全生产、提高能效、优质服务提供强大技术支撑和新的发展思路，是揭示海上风电场雷击机理以及对于雷击二次损伤进行防护的新手段。

3.3 建模

通过大数据获得的雷击部位和雷击损伤结果等分析数据，将应用于对于系统的建模仿真，以获得最接近真实情况的实验结果。

3.3.1 雷电模型

通常在防雷系统中,模拟雷电流源的模型一般有三种:双指数模型、Heidler模型和脉冲模型,本文采用的是双指数波形来模拟雷电流。雷电流波形一般为单极性脉冲波,可用三个参数加以描述[25]，分别是：电流幅值、波头时间、和半波幅时间，它们的定义方法见下图所示。在给定短脉冲雷电流的三个固有参数后,这种雷电流波形即可简记为“T1/T2、Im”’。由于实际雷电流难以用统一的波形来描述，国际电工委员会在其标准《雷电电磁脉冲防护》(IEC-61312-1)中给出了各种雷电流波的参量标准，见下图

3-1[26]。

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图3-1 雷电波形参数定义方法

3.3.2塔体模型

在风电场中，风力发电机发出的电能需经场内输电线路或电缆传输至升压站。风电场建设规模大且其一般在地势复杂的地区，因此一般的风电场都会架设架空输电线路来传输电能。当雷电击中杆塔或输电线路避雷器动作后，雷电侵入波会沿杆塔流入大地，这一个过程中塔顶的电位会提升，塔顶呈现的电位与塔顶注入的冲击电流的比值，即杆塔的冲击响应波阻抗是非常重要的参数，它直接影响能否准确的计算出横担电位与塔顶电位。经国内外研究人员研究表明，杆塔的波阻抗沿杆塔自上而下是逐渐变小的，但当将杆塔进行分段后，每一段波阻抗的值是可以确定的，这样与实际情况下杆塔呈现出的冲击特性是比较相近的。在防雷保护设计规程中杆塔的波阻抗取为定值，且假设雷电波在杆塔中的传播速度为光速，但实际上雷电波的传播速度要小于光速，而且对于不同形状的杆塔，由于高度等各种因素的影响，波阻抗和波速也不会相同，所以日本研究人员根据杆塔的不同部位选取不同的波阻抗即多波阻抗模型来进行计算[27]。

杆塔模型如图3-2所示。图中 ZA1、ZA2、ZA3表示杆塔横担的波阻抗，ZT1、ZT2、ZT3表示杆塔主干的波阻抗，ZL1、ZL2、ZL3表示杆塔主干支架的波阻抗，Rch表示杆塔接地电阻。

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图3-2 杆塔模型

4展望

雷电是影响机组可靠安全运行的实际因素，对风电机组的灾害性正备受人们的关注；就现有己公布的文献来看，关于风力发电机组雷电瞬态过程的研究，国际和国内尚未开展专门的研究工作。在理论分析方面,缺乏机组的雷电瞬态分析模型和瞬态效应数值计算方法。在保护设计方面，缺乏充分可靠的设计依据，对风电机机组遭受雷击时其本体结构上各部位出现的瞬态电位抬高水平和过电压危害程度没有提出可供保护设计参考的量化指标。为此，本文希望从理论分析、数值计算以及模拟试验三方面对海上风电场雷击二次损伤的相关问题进行研究并填补相关领域空白。

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