一项关于雷击对海上浮动风力发电场影响的全面研究

《Ocean Engineering》：A comprehensive research on the effects of lightning strikes on floating offshore wind farm

浮式海上风电场电磁瞬态特性研究提出多导体模型与π型电路结合的综合模型，通过ATP-EMTP仿真分析指出主变压器过电压峰值达基础电压20%，且与变电站支撑长度和海底电缆长度呈负相关。

　　

张平|陈家龙|白丽燕|魏丹|史梦梦|姜宇

河北工业大学人工智能与数据科学学院，天津，300130，中国

摘要

为了全面研究互连的浮式海上风电场中由雷电引起的电磁瞬变现象，本文提出了一种综合的电磁瞬变模型。首先，将浮式风力涡轮机塔简化为离散的多导体模型，而浮式平台和接地系统则表示为多段π型电路。随后，利用部分元件等效电路（PEEC）方法对变电站平台进行建模，并用标准Hara模型描述陆上输电塔。最后，使用ATP-EMTP电磁瞬变仿真程序研究雷电过电压在风电场各部件中的分布规律，并分析变电站支撑长度和海底电缆长度对主变压器过电压分布的影响。实验结果表明，在本文的仿真条件下，主变压器处的峰值过电压约为避雷针基电压的20%。当雷电击中浮式风力涡轮机或陆上输电塔时，会在变压器中产生千伏级的瞬变过电压；而变电站支撑长度和海底电缆长度与变压器过电压呈负相关关系。

引言

受“双碳”政策的推动，中国沿海地区的海上风力涡轮机布局趋于饱和，海上风电的发展正逐渐从近海向远海扩展。预计到2030年，全球浮式风力涡轮机（FOWTs）的安装容量将达到1500兆瓦。因此，浮式风电场（FOWF）有望成为海上风电发展的新焦点（Chen等人，2021；Stockhouse等人，2024；Ling等人，2023）。然而，由于浮式风力涡轮机和海上变电站的结构较高且位于开阔地带，雷电击中的概率极高。因此，研究雷电对FOWTs的 comprehensive 影响具有重要的工程和理论研究价值（Reza等人，2019a；Christiana等人，2022）。

近年来，关于海上风电场雷电瞬变现象的研究越来越多。Tao等人建立了一个单桩风力涡轮机的比例模型，并结合软件仿真研究了雷电击中的瞬变效应（Tao等人，2018）。Shulzhenko等人分析了海上风力涡轮机雷电击中时塔底的瞬变过电压，并研究了塔底的过电压保护措施（Shulzhenko等人，2021）。Sun等人提出了一个海上风电场模型，用于研究在多种工作条件下雷电击中电气设备的过电压分布（Sun等人，2022）。Wang等人构建了一个固定的海上风力涡轮机模型，讨论了二次雷电击中对机舱内变压器过电压的影响（Wang和Zhan，2024）。然而，大多数研究集中在浮式海上风电场的选址和布局上，对雷电对设备互连影响的研究仍处于起步阶段（Reza等人，2019b；Karimi等人，2017a）。

本文采用ATP-EMTP建立了FOWT、海上变电站、陆上输电塔（OTT）和海底电缆的模型。与现有研究不同，本文创新性地引入了多段π型电路来模拟浮式平台和接地系统，并构建了一个精细的离散多导体模型，准确反映了FOWT塔的空间几何特性。基于该模型，本文重点研究了在三种典型雷电击中场景下风电场内不同位置的过电压分布模式（雷电击中海上变电站、FOWT或OTT）。进一步探讨了变电站支撑长度和海底电缆长度等关键参数对主变压器（MT）过电压分布的影响。

FOWT模型

浮式风电场（FOWF）由浮式风力涡轮机（FOWTs）、海上变电站和陆上输电塔（OTT）组成，这些组件相互连接，以实现海上风能的高效开发和利用。浮式风力涡轮机产生的电力首先升压至35千伏，通过海底电缆传输至海上变电站。海上变电站的主变压器（MT）进一步升高电能的电压，然后通过220千伏的海底电缆传输至陆地塔。

海上变电站和OTT模型

典型的海上变电站由四层钢结构构成，前三层为变电站的支撑平台，第四层为支撑结构。海上变电站的结构参数如表2所示。变电站平台通常配备有气体绝缘开关设备（GIS）和空气绝缘开关设备（AIS），其中包含大量的电气设备，如电压互感器（PTs）和电流互感器（CTs）等。

电磁瞬变效应研究

自然界中的正极性雷电通常具有更高的峰值电流和更陡峭的波前参数。因此，本文主要研究正极性雷电。根据IEC 61400标准，选择Heidler模型来描述正极性雷电（Yang等人，2018；Chen等人，2020；Vujevic和Lovric，2010；Sarajcev等人，2021），其表达式为： $I(t)\; =\; \backslash frac\{I\_0\; \backslash eta\; \backslash left(\; \backslash frac\{t\}\{\backslash tau\_1\}\; +\; \backslash frac\{t\}\{\backslash tau\_2\}\; \backslash right)e^\{-t\backslash tau\_2\}$ 其中 $I_0$ 是电流峰值，$\tau_1$ 和 $\tau_2$ 分别是前沿时间和尾部时间。

结论

本文提出了一个浮式风电场的模型，重点研究了海上变电站和浮式风力涡轮机。研究结果表明：

• 当海上变电站受到雷电击中时，会在变电站平台上产生兆伏级的过电压，在电气设备上产生千伏级的过电压。

张平：项目管理、概念构思。 陈家龙：撰写 – 原稿撰写、软件开发、方法论设计。 白丽燕：撰写 – 审稿与编辑。 魏丹：撰写 – 审稿与编辑。 史梦梦：撰写 – 审稿与编辑。 姜宇：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本文的工作得到了中国“S & T计划”（项目编号：21567605H）的支持。最后，我也衷心感谢我的团队成员。

术语表

AIS

空气绝缘开关设备

BIL

基本冲击水平

CT

电流互感器

FOWF

浮式风电场

FOWT

浮式风力涡轮机

GIS

气体绝缘开关设备

HV

高压

LV

低压

MT

主变压器

OTT

陆上输电塔

PEEC

部分元件等效电路

PT 电压互感器