墨囫海上风电场海底高压电Ｊ氐局仕电缆雷电过电压研究李炬添（中国能源建设集团广东省电力设计研究院，广州５１０６６３）［摘要］海底高压电缆是海上风电场传输电能的重要组成部分，它的安全经济运行对海上风电电力系统至关重要。针对某４００ＭＷ海上风电场，应用ＥＭＴＰ软件建立风电场海底电缆电磁暂态计算模型，分析海底电缆的雷电过电压特点，就影响海底电缆雷电过电压的相关因素进行探讨，并根据仿真和分析结果提出建议。关键词海底高压电缆雷电过电压ＥＭＴＰ０引言中国近年的风力发电发展速度远超世界其它风电大国，截至２０１０年底，中国累计风电装机总量已达到４则ｋ盘一＾海上升压站（ＧＩＳ）篡蚍毒～文金～十吕变电站１８２．７万ｋＷ。首次超过美国，位居世界首位。根据电网图２４００ＭＷ海上风电场系统接线图建设的需要，结合近海岛屿的地理位置特点，高电压、大截面、长距离的海底电缆将在近海风电场中逐步得到应用。在电力输送过程中使用的电缆，特别是高电压、大截面、长距离的海底电缆，与传统的架空线路在运维方面有很大不同［１］，尤其是在系统过电压方面。一旦海底高压电缆发生故障而停运，就会造成巨大的经济损失，为此，对其进行过电压研究［２￣４１就显得非常有必要。而通过系统过电压仿真计算可深入了解和掌握海上风电场输电系统过电压特性，为以后解决工程问题提供有效参考。２雷电过电压仿真计算２．１海缆波过程２２０ｋＶ海底电缆系统的雷害来源主要是雷击架空线路后，过电压波沿架空线侵入电缆［５］。考虑到系统ＧＩＳ母线较短，雷电波在上面传递的时间很短，首末两端经折反射，电压波形基本一致，因此，为简化分析计算，在分析雷电波在电缆线路上的波过程时，不考虑ＧＩＳ母线的影响，假设电缆末端直接与变压器相连，即整个海上风电场系统可简化为一个架空线一海缆一变压器［５“］系统，如图３所示。、１研究的系统以广东某沿海岛屿海上风电工程为实例，选择２２０ｋＶ电压等级、单芯截面在１６００ｍｍ２和三芯截面在４００ｍｍ２及以上的海底电缆为研究对象。一个４００ＭＷ海上风电场路径如图１所示，由于海上风电机组数量多、分布广，因此采用３５ｋＶ电缆将一定数量的风电机组并联起来接到一个２２０ｋＶ的ＧＩＳ站进行升压，然后通过２２０ｋＶ的海底电缆送到陆上集控中心，再通过架空输电线路最终接入２２０ｋＶ变电站，其系统接线图如图２所示。ｑ一芝；—；。架空线’五：山纠变压器’２２电氮ｚ雷电冲击波从架空线进入电缆时，由于折射原因，其峰值只有架空线的１／ｌＯ左右。侵人波到达变压器时，发生全反射，其幅值增加１倍，但此时变幅值也只有架空线上的几分之一。所以，若只考虑１次折反射，则电缆首末两端过电压相对于架空线均很小。当电缆长度较短并考虑。。：，多次反射时，情况就较复杂。反射波向架空线传播时，它将叠加到尚在向变压器前进的波尾部分，并在电缆与架空线连接处又反射向变压器，随后又在变压器处反射回架空线。如此重复往返叠加在其本身波尾上。如果雷电冲击波波头走过电缆全长所需的时间小于本身波尾时间，那么在收稿日期：２０１２—０８—１６作者简介：李炬／￥（１９８５一），工学硕士，从事火电厂、核电厂以及风力发电的电气设计工作。｛；；；引∥一｝西；ｆ｝；；‘电工技术ｌ２０１２１１２期Ｉ弱万方数据波尾通过电缆前将有多次反射叠加，电缆和变压器承受的过电压就可能达到很高。２．２计算与分析雷击过程非常短暂，通常只有几微秒到几十微秒，距离较远的杆塔的分流作用口’８３已很微弱，因此仅建模计算雷击点及其附近２座杆塔的折反射。表１给出了不同避雷器配置方式下的过电压计算结果。仅在海缆首端装设避雷器时，电缆首末两端过电压典型波形如图４所示。表１不同避雷器配置方式下的过电压计算结果ｋＶ注：①为在电缆首末两端均不装设避雷器；②为仅在电缆首端装设避雷器③为在电缆首末两端均装设避雷器。ｔｌｍｓ（ｂ）三芯电缆图４方式②下电缆两端电压波形由表１可知，对于单芯电缆和三芯电缆，无论采取何种避雷器配置方式，电缆上的过电压均不超过５５０ｋＶ。根据ＤＬ４０１～９１《高压电缆选用导则》，２２０ｋＶ电缆的主绝缘雷电冲击耐受电压约为９５０ｋＶ～１０５０ｋＶ。因此，即使在相电压达到极值时发生闪络，电缆首末两端过电压也未超过电缆的主绝缘水平。２．３影响因素由于准确获得模型及其参数较为困难，因此可通过改变电缆的不同参数来确定各参数对电缆过电压的影响程度。本文对护套层金属材料、主绝缘材料、海底敷设间距、主绝缘厚度、金属护套层厚度、护套绝缘层厚度等参数进行讨论，分析其对海缆过电压的影响。部分仿真结果见表２～表５。表２不同冲击接地电阻下的电缆过电压４６ＩＷＷＷ．ｃｈｉｎａｅｔ．ｎｅｔｌ电工技术万方数据表３不同主绝缘厚度下的过电压主绝缘厚度／ｍｍ２２２４２６单芯４５５４５７４５９末端电压／ｋｖ三芯３４９３５５３６０表４不同单芯电缆长度下的过电压由仿真结果可知，杆塔冲击接地电阻、电缆长度及电缆绝缘材料对电缆末端电压影响较大，其余参数对其影响则较小。其中，杆塔冲击接地电阻对其影响最大，这是因为在相同雷电流情况下，冲击接地电阻越大，杆塔横担上过电压就越大，这使得发生闪络后架空线上的过电压越大，即从架空线侵入电缆的过电压幅值也越大，所以必须使靠近电缆终端的杆塔冲击接地电阻降到合适范围。３结束语本文结合某沿海岛屿海上风电工程实例，建立海上风电场系统的雷电过电压模型，分析海底电缆的雷电侵入波过电压水平及其影响因素，得出以下结论。（１）由于仿真电缆长度远大于其冲击特性长度，因此电缆末端过电压最大值不会超过电缆首端２倍或架空线上雷电冲击波幅值的几分之一。对于单芯或三芯海缆，无论采取何种避雷器配置方式，其首末两端过电压均未超过电缆主绝缘水平。（２）杆塔冲击接地电阻、电缆长度及电缆绝缘材料均对电缆末端电压影响较大，其余参数对其影响较小。冲击接地电阻越小，电缆上的过电压幅值和流过避雷器的雷电流值就越低，因此在设计和施工时应尽量降低靠近电缆段杆塔的冲击接地电阻。参考文献［１］ＷｏｒｚｙｋＴ．ＳｕｂｍａｒｉｎｅＰｏｗｅｒＣａｂｌｅｓ：Ｄｅｓｉｇｎ，Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ，Ｒｅ—ｐａｉｒ，ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＡｓｐｅｃｔｓ［Ｚ］．２０１０［２］朱子述．电力系统过电压［Ⅳ妇．上海：上海交通大学出版社，１９９５［３］谢广润．电力系统过电压［Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９８３［４］陈维贤．内部过电压基础［Ｍ］．北京：电力．ｓ－．＿ｌｋ出版社，１９８１［５］孙旭，徐兵．２２０ｋＶ长电缆一ＧＩｓ系统雷电侵入波计算分析ＥＪ］．广东电力，１９９８（５）：１１，１２［６］马晓红．架空一长电缆线路的过电压计算与分析［Ｄ］．上海：上海交通大学，２００５［７］张永记，司马文霞，张志劲．防雷分析中杆塔模型的研究现状［Ｊ］．高电压技术，２００６（７）：９３～９７［８］颜喜平．２２０ｋＶ同塔双回输电线路防雷性能研究［Ｄ］．湖南：长沙理工大学，２００９
