Study and Analyzing the Effect of Induced Overvoltage Resulting from Direct Lightning Strike on Wind Turbine with Non-Homogenous Two-Layer Soil and Electrodes with Square Arrangement

Subject Areas : Electrical and Computer Engineering

Hossein Malekpoor ¹

1 - Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Arak University, Arak, Iran

Received: 2024-03-16 Accepted : 2024-05-01 Published : 2025-03-19

Keywords: Wind turbine, Lightning current, Ground system, Two-layer soil with electrode, Induced overvoltage,

Abstract :

Due to the location of wind turbines and their shape and structure, lightning strike to wind turbines causes serious economic losses and security risks. The design of the ground system of wind turbine is very important for the safety of personnel and protection of electrical equipment. In this study, the effect of direct lightning strike on wind turbine components with the ground system of a different two-layer soil with square electrodes has been simulated and analyzed. Simple soil has a relative electrical permittivity coefficient of 10 and a conductivity coefficient of 0.1. In two-layer soil, the soil of the first layer has a relative electrical permittivity coefficient of 10 and a conductivity of 0.1. The soil of the second layer has a relative electrical permittivity coefficient of 4 and a conductivity of 0.001. The overall dimensions of the wind turbine include the length of the blades 24 meters, nacelle length 6 meters, its width and height 6 meters, and the wind turbine tower is made of a steel cone with a height of 44 meters. The simulation results in the full wave HFSS software have been analyzed based on the distribution of the fields created on the wind turbine components resulting from the direct impact of lightning and the effect of overvoltage created at different frequencies. Also, the results obtained with a wind turbine including a simple ground system without electrodes have been compared. Based on this, it can be concluded that the arrangement of the electrodes and the ground resistance plays a very important role for the design of the wind turbine farm and its protection.

References:

[1] X. Zhang, Y. Zhang, and X. Xiao, "An improved approach for modeling lightning transients of wind turbines," International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 101, pp. 429-438, 2018, doi:10.1016/j.ijepes.2018.04.006.
[2] M. E. M. Rizk, F. Mahmood, M. Lehtonen, E. A. Badran, and M. H. Abdel-Rahman, "Induced Voltages on Overhead Line by Return Strokes to Grounded Wind Tower Considering Horizontally Stratified Ground," IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 58, no. 6, pp. 1728-1738, 2016, doi:10.1109/TEMC.2016.2588000.
[3] W. Li, N. Xiang, K. Bian, S. Zhang, T. Sun, Q. Wang, L. Cheng, and D. Zhu, "Transient characteristics of wind turbine grounding system in high soil resistivity area due to lightning strike," in 2020 IEEE International Conference on High Voltage Engineering and Application (ICHVE), 2020, pp. 1-4, doi:10.1109/ICHVE49031.2020.9279758.
[4] R. D. Goud, T. Auditore, R. Rayudu, and C. P. Moore, "Frequency Domain Analysis of a Wind Turbine Generator Earthing System for Lightning Discharge Currents," IEEE Access, vol. 7, pp. 60501-60512, 2019, doi:10.1109/ACCESS.2019.2915104.
[5] A. S. Zalhaf, M. Abdel-Salam, D.-E. A. Mansour, M. Ahmed, and S. Ookawara, "An Experimental Study of Lightning Overvoltages on a Small-scale Wind Turbine Model," Energy Procedia, vol. 156, pp. 442-446, 2019, doi:10.1016/j.egypro.2018.11.089.
[6] Y. Wang and W. Hu, "Investigation of the Effects of Receptors on the Lightning Strike Protection of Wind Turbine Blades," IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 59, no. 4, pp. 1180-1187, 2017, doi:10.1109/TEMC.2016.2647260.
[7] M. Minowa, K. Ito, S. I. Sumi, and K. Horii, "A study of lightning protection for wind turbine blade by using creeping discharge characteristics," in 2012 International Conference on Lightning Protection (ICLP), 2012, pp. 1-4, doi:10.1109/ICLP.2012.6344349.
[8] S. A. Pastromas, K. Sandros, K. N. Koutras, and E. C. Pyrgioti, "Investigation of lightning strike effects on wind turbine critical components," in 2018 IEEE International Conference on High Voltage Engineering and Application (ICHVE), 2018, pp. 1-4, doi:10.1109/ICHVE.2018.8642050.
[9] M. Kheshti, L. Ding, W. Bao, M. Yin, Q. Wu, and V. Terzija, "Toward Intelligent Inertial Frequency Participation of Wind Farms for the Grid Frequency Control," IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 16, no. 11, pp. 6772-6786, 2020, doi:10.1109/TII.2019.2924662.
[10] M. Nazari, R. Moini, S. Fortin, F. P. Dawalibi, and F. Rachidi, "Impact of Frequency-Dependent Soil Models on Grounding System Performance for Direct and Indirect Lightning Strikes," IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 63, no. 1, pp. 134-144, 2021, doi:10.1109/TEMC.2020.2986646.
[11] A. A. M. Laudani, E. C. Senis, P. L. Lewin, I. O. Golosnoy, J. Kremer, H. Klein, and O. T. Thomsen, "Estimation of Contact Resistivity in Lightning Protection Equipotential Bonding Joints of Wind Turbine Blades," IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 63, no. 4, pp. 1163-1178, 2021, doi:10.1109/TEMC.2021.3059365.
[12] N. A. Sabiha, M. Alsharef, I. B. M. Taha, E. E. Elattar, M. K. Metwaly, and A. M. Abd-Elhady, "Assessment of grounding grid for enhancing wind turbine service sustainability," Ain Shams Engineering Journal, vol. 12, no. 1, pp. 577-589, 2021, doi:10.1016/j.asej.2020.08.005.
[13] L. Grcev, "Impulse Efficiency of Ground Electrodes," IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 24, no. 1, pp. 441-451, 2009, doi:10.1109/TPWRD.2008.923396.
[14] K. Yamamoto, S. Sumi, S. Sekioka, and J. He, "Derivations of Effective Length Formula of Vertical Grounding Rods and Horizontal Grounding Electrodes Based on Physical Phenomena of Lightning Surge Propagations," IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 51, no. 6, pp. 4934-4942, 2015, doi:10.1109/TIA.2015.2434950.
[15] Q. Zhang, X. Tang, J. Gao, L. Zhang, and D. Li, "The Influence of the Horizontally Stratified Conducting Ground on the Lightning-Induced Voltages," IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 56, no. 2, pp. 435-443, 2014, doi:10.1109/TEMC.2013.2284929.
[16] J. Gu, T. He, W. Chen, W. Shi, S. Huang, and K. Bian, "Characteristics of Lightning Attachment Point Distributions on Wind Turbine Blades under Downward Lightning," in 2019 11th Asia-Pacific International Conference on Lightning (APL), 2019, pp. 1-7, doi:10.1109/APL.2019.8815986.
[17] Z. Guo, Q. Li, Y. Ma, H. Ren, Z. Fang, C. Chen, and W. H. Siew, "Experimental Study on Lightning Attachment Manner to Wind Turbine Blades With Lightning Protection System," IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 47, no. 1, pp. 635-646, 2019, doi:10.1109/TPS.2018.2873200.
[18] M. Zhou, J. Huang, W. Zhao, J. Chen, L. Cai, C. He, J. Wang, and J. Xue, "Experimental Evaluation of Lightning Attachment Characteristic of Two Adjacent Wind Turbines," IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 38, no. 2, pp. 879-887, 2023, doi:10.1109/TEC.2022.3230150.
[19] R. G. Deshagoni, T. Auditore, R. Rayudu, and C. P. Moore, "Factors Determining the Effectiveness of a Wind Turbine Generator Lightning Protection System," IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 55, no. 6, pp. 6585-6592, 2019, doi:10.1109/TIA.2019.2931866.
[20] Y. Qin, H. Wang, Z. Deng, J. Zhang, R. Yang, and X. Cai, "Control of Inertia-Synchronization Controlled Wind Turbine Generators Under Symmetrical Grid Faults," IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 38, no. 2, pp. 1085-1096, 2023, doi:10.1109/TEC.2022.3213874.

Full-Text:



حسین ملک­پور

 

 

Technovations of Electrical Engineering in Green Energy System

Research Article                                                                                  (2025) 3(4):98-112

 

Study and Analyzing the Effect of Induced Overvoltage Resulting from Direct Lightning Strike on Wind Turbine with Non-Homogenous Two-Layer Soil and Electrodes with Square Arrangement

Hossein Malekpoor1, Assistant Professor

 

1 Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Arak University, Arak, Iran

Abstract:

Due to the location of wind turbines and their shape and structure, lightning strike to wind turbines causes serious economic losses and security risks. The design of the ground system of wind turbine is very important for the safety of personnel and protection of electrical equipment. In this study, the effect of direct lightning strike on wind turbine components with the ground system of a different two-layer soil with square electrodes has been simulated and analyzed. Simple soil has a relative electrical permittivity coefficient of 10 and a conductivity coefficient of 0.1. In two-layer soil, the soil of the first layer has a relative electrical permittivity coefficient of 10 and a conductivity of 0.1. The soil of the second layer has a relative electrical permittivity coefficient of 4 and a conductivity of 0.001. The overall dimensions of the wind turbine include the length of the blades 24 meters, nacelle length 6 meters, its width and height 6 meters, and the wind turbine tower is made of a steel cone with a height of 44 meters. The simulation results in the full wave HFSS software have been analyzed based on the distribution of the fields created on the wind turbine components resulting from the direct impact of lightning and the effect of overvoltage created at different frequencies. Also, the results obtained with a wind turbine including a simple ground system without electrodes have been compared. Based on this, it can be concluded that the arrangement of the electrodes and the ground resistance plays a very important role for the design of the wind turbine farm and its protection.

Keywords: Wind turbine, Lightning current, Ground system, Two-layer soil with electrode, Induced overvoltage

 

 

 

 

 

Received: 16 March 2024

Revised: 02 April 2024

Accepted: 01 May 2024

Corresponding Author: Dr. Hossein Malekpoor, [e-mail]

DOI: 10.30486/TEEGES.2024.1105416

 

 

فناوری‏های نوین مهندسی برق در سیستم انرژی سبز

         ..مقاله پژوهشی...       

 

مطالعه و تحلیل اثر اضافه ولتاژ القایی حاصل از برخورد مستقیم صاعقه بر روی توربین بادی با خاک دو لایه ناهمگن و الکترودهایی با چیدمان مربعی

حسین ملک­پور1، استادیار

1- گروه مهندسی برق، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک؛ اراک، ایران 

 

چكيده: با توجه به موقعیت قرارگیری توربین­های بادی و شکل و ساختار آن­ها، برخورد رعد و برق به توربین­های بادی باعث خسارات اقتصادی جدی و خطرات امنیتی می­شود. طراحی سیستم زمین توربین­های بادی برای ایمنی پرسنل و حفاظت از تجهیزات الکتریکی بسیار مهم است. در این مطالعه، اثر برخورد مستقیم صاعقه بر روی اجزای توربین بادی با سیستم زمین خاک دو لایه متفاوت با الکترودهایی بصورت مربعی شبیه سازی و تحلیل شده است. خاک ساده شامل ضریب نفوذ پذیری الکتریکی نسبی 10 و ضریب رسانایی 1/0 می­باشد. در خاک دو لایه، خاک لایه اول دارای ضریب نفوذ پذیری الکتریکی نسبی 10 و رسانایی 1/0 می­باشد. خاک لایه دوم دارای ضریب نفوذ پذیری الکتریکی نسبی 4 و رسانایی 001/0 است. ابعاد کلی توربین بادی شامل طول پره­ها 24 متر، طول ناسل 6 متر، عرض و ارتفاع آن 6 متر، و برج توربین بادی از یک مخروط فولادی به ارتفاع 44 متر می­باشد. نتایج شبیه سازی در نرم افزار تمام موج HFSS بر اساس توزیع میدان­های ایجاد شده بر روی اجزای توربین بادی حاصل از برخورد مستقیم صاعقه و اثر اضافه ولتاژهای ایجاد شده در فرکانس­های مختلف بررسی شده است. همچنین، نتایج بدست آمده با توربین بادی شامل سیستم زمین ساده بدون الکترود مقایسه شده است. بر همین اساس می­توان نتیجه گرفت که آرایش چیدمان الکترود­ها و مقاومت زمین نقش بسیار مهمی برای طراحی مزرعه توربین بادی و حفاظت آن بر عهده دارد. 

 

واژه­هاي كليدي: توربین بادی، جریان صاعقه، سیستم زمین، خاک دو لایه با الکترود، اضافه ولتاژ القایی

 

 

 

 

 

تاریخ ارسال مقاله: ۲۶/۱۲/140۲

تاریخ بازنگری مقاله: 14/0۱/140۳

تاریخ پذیرش مقاله: ۱۲/0۲/140۳

نویسنده­ی مسئول: دکتر حسین ملک­پور، [e-mail]

DOI: 10.30486/TEEGES.2024.1105416

 

 

1-       مقدمه

نیروگاه­های بادی یکی از گسترده­ترین منابع انرژی الکتریکی طی چند دهه اخیر است. امروزه به دلیل لزوم نیاز به کنترل تغییرات آب و هوایی و افزایش هزینه­های سوخت فسیلی استفاده از انرژی­های تجدید پذیر در سراسر جهان رشد فزاینده­ای یافته است [1]. همچنین، به دلیل کاهش تدریجی سوخت­های فسیلی و آلودگی­های زیست محیطی آن، شبکه­های قدرت دچار مشکل شده­اند. برنامه­ریزی­های اخیر جهان مبنی بر استفاده از انرژی­های نو و تجدید پذیر به خصوص انرژی باد شده است. انرژی باد نوعی انرژی تجدید پذیر و خالص است که بر کاهش آلودگی محیط زیست و انتشار گاز کربن دی اکسید کمک می­کند [1,2]. یکی از عواملی که سبب نگرانی سرمایه گذاران در این بخش شده است مسئله برخورد صاعقه بر توربین بادی¹ می­باشد. توربین­های بادی به دلیل ارتفاع بلند و تیغه­های بلند، اغلب در معرض برخورد صاعقه قرار می­گیرند که می­توانند مشکلات عملیاتی در یک نیروگاه ایجاد کنند [2]. شکل (1) ساختار یک توربین بادی را نمایش می­دهد.

برخورد صاعقه² موجب سوختگی قطعات و از کار افتادن بخشی از تجهیزات توربین یا تمام تجهیز می­شود که این عامل باعث کاهش نرخ سودمندی و افزایش قیمت برق تولیدی از توربین بادی می­باشد [3]. با توجه به اینکه توربین­های بادی برای تولید برق نیاز به باد دارند به طور طبیعی در مناطقی که مزارع توربین بادی وجود دارد اغلب مناطقی با جو پر خطر همچون صاعقه­های شدید هستند. اضافه ولتاژی³ که بر اثر برخورد صاعقه بر توربین بادی وارد می­شود موضوعی مهم در بحث حفاظت توربین­های بادی می­باشد. به طور کلی، سیستم محافظت صاعقه از سه بخش عمده شامل گیرنده­ي صاعقه، هدایت کننده رو به پایین صاعقه و المان زمین می­باشد. این المان­ها باید به خوبی رساناي الکتریکی⁴ باشند تا بتوانند به طور ایمن صاعقه را به زمین انتقال دهند که این موضوع مربوط به سیستم­هاي زمین توربین بادي می­باشد [6-4]. سيستم زمين⁵ توربين بادي بايد طوري طراحي شود تا علاوه بر دست­يابي به مشخصات امپدانسي با مقادير حالت ماندگار استاندارد، جريان صاعقه را به طور موثر به درون زمين تخليه کند [5].

موضوع حفاظت در برابر صاعقه توربین­های بادی تا حد زیادی بر روی طراحی پره­های توربین بادی متمرکز شده است. با این حال، یک سیستم زمین مناسب در سیستم حفاظت از صاعقه بسیار مهم است. طراحی ایمن و مقرون به صرفه یک سیستم زمین توربین بادی مستلزم مدل‌سازی دقیق مقاومت محلی خاک است، تا از عملکرد ایمن و قابل اطمینان آن­ها در کل طول عمر آن­ها اطمینان حاصل شود، به‌ویژه زمانی که توربین‌های بادی در یک منطقه وسیع با انواع و ویژگی‌های مختلف خاک توزیع شده‌اند [20-7]. سیستم زمین یک جزء مهم برای حفظ یکپارچگی فیزیکی سازه و حفاظت از ایمنی انسان است.

سیستم زمین مجموعه­ای از اتصالات بهم پیوسته از هادی­ها می­باشد که در زمین و زیر سازه قرار دارد. تعدادی الکترود⁶ در زمین با توجه به مقاومت زمین در چند متری زمین دفن می­شود که این هادی­ها به بدنه ی تجهیزات متصل است. اگر بدنه تجهیز برق­دار شود، جریان ناشی از آن وارد زمین شده و بدین صورت مانع برق گرفتگی می­شود [7]. به طور کل سیستم زمین برای کاهش مقاومت طراحی می­شود تا بدین صورت اضافه ولتاژها و جریان­های بزرگ با فرکانس­های بالا را از افراد و تجهیزات دور کند.

 

 

 

شکل (1): اجزای توربین بادی [1]

 

در تحقیق قبلی شبیه سازی توربین بادی در نرم افزار کامسل⁷ انجام داده است و از جریان 100 کیلو آمپر برای مدل سازی صاعقه استفاده کرده است [8]. برای طراحی تیغه­ها به طول 24 متر با رسانایی s/m 004/0در نظر گرفته شده است. ناسل این توربین بادی با توجه به نسلی به طول 6، عرض 6 و ارتفاع 6 متر ساخته شده است، لایه خارجی ناسل از پلاستیک تقویت شده با ضخامت 12 سانتی متر ساخته شده است. از نتایج شبیه سازی می­توان نتیجه گرفت که در پایه برج و خاک اطراف آن یک میدان الکتریکی بزرگ وجود دارد که می­تواند به اجزای توربین بادی و موجودات زنده آسیب برساند. بدین ترتیب طراحی و ساخت یک سیستم زمین با رعایت استانداردها بسیار مهم است. مطالعه ارائه شده در [12] یک روش جامع برای طراحی یک سیستم زمینی قابل اعتماد برای یک توربین بادی ارائه می‌کند. برای ارزیابی طراحی سیستم زمین از برنامه کامسل استفاده می‌شود. ارزیابی طراحی سیستم زمین با جریان 100 آمپر به عنوان جریان مستقیم تزریقی انجام می­شود که در آن ولتاژ در نقطه تزریق پس از اجرای شبیه سازی اندازه­گیری شده و سپس مقاومت زمین محاسبه می­شود. ابعاد شبکه زمین از 2020 متر مربع تا 6060 متر مربع افزایش می­یابد. نتایج بدست آمده نشان می­دهد که در آن افزایش اندازه شبکه منجر به کاهش مقاومت زمین می­شود. مقاومت اتصال به زمین توربین بادی باید تا حد امکان کوچک باشد تا جریان صاعقه به طور ایمن در زمین پخش شود. در این طرح، مقاومت زمین را در برابر طول الکترودهای عمودی برای طرح­های شبکه­های مختلف، چهار الکترود، پنج الکترود و سیستم­های اتصال زمین هشت الکترود در نظر گرفته شده است. نتایج بدست آمده نشان می­دهد که همه سیستم­های زمین تقریباً یک الگو دارند. با این حال سیستم هشت الکترودی کاهش بیشتری از مقاومت زمین را نسبت به سایر چیدمان­ها دارد.

در این مقاله اثر برخورد مستقیم⁸ صاعقه بر روی اجزای توربین بادی با سیستم زمین خاک دو لایه⁹ متفاوت با الکترودهایی بصورت مربعی شبیه سازی و تحلیل شده است. خاک ساده شامل ضریب نفوذ پذیری الکتریکی نسبی 10 و ضریب رسانایی 1/0 می­باشد. خاک لایه اول دارای ضریب نفوذ پذیری الکتریکی نسبی 10 و رسانایی 1/0 است. خاک لایه دوم دارای ضریب نفوذ پذیری الکتریکی نسبی 4 و رسانایی 001/0 می­باشد. نتایج شبیه سازی در نرم افزار تمام موج فرکانس بالا¹⁰ بر اساس توزیع میدان­های ایجاد شده بر روی توربین بادی حاصل از برخورد صاعقه و اثر اضافه ولتاژهای ایجاد شده در فرکانس­های مختلف بررسی شده است. همچنین، نتایج بدست آمده با توربین بادی شامل سیستم زمین ساده بدون الکترود مقایسه شده است.

2-       ساختار توربین پیشنهادی، شبیه سازی برخورد صاعقه و زمین دو لایه با الکترود

در این بخش به بررسی ساختار توربین بادی و نحوه شبیه سازی برخورد صاعقه پرداخته می­شود. شبیه سازی­های انجام شده برای خاک ساده و دولایه با چیدمان الکترودهای مربعی شکل انجام شده است. تحلیل­ها بر اساس نرم افزار تمام موج فرکانس بالا برای شبیه سازی توربین بادی به همراه سیستم زمین صورت گرفته است. ضریب نفوذ پذیری الکتریکی نسبی خاک ساده 10 و رسانایی آن 1/0 می­باشد. همچنین، ابعاد لایه خاک 20×20 متر مربع و ارتفاع آن 5/2 متر می­باشد. نحوه چیدمان الکترودها در لایه خاک بصورت مربعی در شکل (2) نشان داده شده است. جنس این الکترودها در نرم افزار تمام موج فرکانس بالا، مس در نظر گرفته شده است. ارتفاع این الکترودها برابر با ارتفاع خاک یعنی 5/2 متر و همچنین شعاع این الکترودها 25/1 سانتی­متر می­باشد. تعداد این الکترودها با چیدمانی به شکل مربع برابر با 20 می­باشد.

 

 

شکل(2): الکترودهایی با چیدمان مربعی در سیستم زمین

 

 

(الف)

 

(ب)

شکل(3): ساختار توربین بادی شبیه سازی شده (الف) برخورد صاعقه (ب) در نرم افزار تمام موج

 

ابعاد کلی توربین بادی شامل طول تیغه ها 24 متر، ناسلی به طول 6 متر، عرض 6 متر و ارتفاع 6 متر می­باشد. برج توربین بادی از یک مخروط فولادی به ارتفاع 44 متر و پایه برج با قطر 4 متر تشکیل شده است. همچنین، قسمت فوقانی که بر روی آن ناسل نصب شده است به قطر 2 متر می­باشد. مطابق شکل (3)، جریان صاعقه در نرم افزار تمام موج فرکانس بالا بر اساس معادله 1 مدل شده است. به همین منظور، موج تابشی به ساختار سه بعدی توربین بادی بعنوان صاعقه از طریق وجه بالایی یک جعبه مکعبی که توربین را احاطه کرده است تابیده می­شود.

(1)

 

که در آن I0=32594.63 A، α=25738.46 S-1 و β=1618545 S-1 می­باشد.

آقای گرشو ابتدا مطالعه­ای بر روی سیستم های زمین از نوع میله ای با وجود خاک معمولی انجام داده­اند و پس از تطابق منحنی­های به دست آورده و بررسی نتایج شبیه سازی شده رابطه­ی زیر را برای ضریب ضربه به دست آورد [11]:

(2)

و از آنجا که طول موثر هنگامی به دست می آید که ضریب ضربه برابر با یک باشد رابطه محاسبه طول موثر به صورت زیر می­شود:

 

 

شکل(4): طراحی ساختار خاک دو لایه متفاوت در نرم افزار

 

(3)

(4)                                                                  

(5)                                                                    

این نویسندگان با مطالعه بر روی الکترودهای میله­­ای روابط طول موثر و ضریب ضربه را به صورت زیر به دست آوردند [12]:

(6)

(7)                                                                        

برای حالت عمودی از رابطه عمق نفوذ موج جریان در خاک بهره گرفته شده، نهایتا، رابطه­ای برای طول موثر نوشته می­شود که برابر است با:

(8)                                                                            

که با توجه بهکه در بالا آمده است رابطه به صورت زیر نوشته می­شود:

(9)                                                                           

بنابراین طول موثر به دست می­آید:

(10)                                                         

(11)

منظور از خاک چند لایه این است که خاک اطراف الکترود زمین دارای لایه­های مختلفی (چه به صورت افقی و چه عمودی) است که هر لایه یک لایه الکترومغناطیسی متفاوت دارد. از آنجا که در خاک های چند لایه هر لایه از خاک یک مقاومت ویژه و ضریب دی الکتریک متفاوت دارد، در نتیجه بر روی عملکرد سیستم زمین کننده اثر می­گذارد و برای بهبود محاسبات و تحلیل باید این خاصیت در نظر گرفته شود.

در اینجا می­توان یک خاک دو لایه را به یک خاک تک لایه با یک مقاومت ویژه معادل تقریب زد. رابطه­ی زیر نحوه­ی محاسبه مقاومت ویژه معادل را نشان می­دهد [15]:

(12)                                                     

(13)                                                                         

که ضخامت لایه به لایه، رسانایی لایه پایین، رسانایی لایه بالا، فرکانس، رسانایی معادل و ضریب نفوذپذیری خلاء است.

فرکانس به جریان صاعقه بستگی دارد که برای جریان اولین ضربه صاعقه این مقدار 124 کیلوهرتز و برای جریان ضربه بعدی صاعقه برابر 516 کیلو هرتز است. شکل (4) ساختار یک خاک دو لایه متفاوت را در نرم افزار نشان می‌دهد. خاک لایه اول دارای ضریب نفوذ پذیری الکتریکی نسبی 10 و رسانایی 1/0 می­باشد. خاک لایه دوم دارای ضریب نفوذ پذیری الکتریکی نسبی 4 و رسانایی 001/0 است. لازم به ذکر است که ابعاد هر لایه خاک 20×20 متر مربع و ارتفاع آن 5/2 متر می­باشد.

3-       نتايج شبیه­سازی و تحلیل آنها

در این بخش به بررسی و تحلیل توزیع میدان بر روی قسمت های مختلف توربین، نمودار میدان الکتریکی روی اجزای مختلف توربین و نمودار ولتاژ بر حسب فرکانس توربین پرداخته می­شود.

شکل (5) نحوه­ی توزیع میدان الکتریکی روی اجزای توربین بادی در خاک­های دو لایه ساده و دو لایه بدون الکترود را نشان می­دهد. مشاهده می­شود که توزیع میدان در این حالت بر روی پره­ها تضعیف­تر شده است. همانطور که از روی نمودارهای میدان قابل مشاهده است، می­توان نتیجه گرفت زمانی که در سیستم زمین از الکترود استفاده نشده است، میدان در قسمت­های مختلف توربین قوی­تر است و این میدان باعث آسیب رساندن به تجهیزات توربین بادی می­شود. شکل (5-الف) نحوه توزیع میدان در خاک ساده دو لایه را نشان می­دهد. مشاهده می­شود که توزیع میدان با افزایش لایه خاک قوی­تر می­شود. شکل (5-ب) نحوه توزیع میدان در خاک دو لایه متفاوت را نشان می­دهد. مشاهده می­شود که توزیع میدان زمانی که لایه خاک بیشتر می­شود افزایش می­یابد.

-

(الف)                                                        (ب)

شکل (5): نحوه توزیع میدان الکتریکی روی توربین و زمین در (الف) دو لایه ساده (ب) خاک دو لایه متفاوت

 

 

 

شکل (6): نحوه توزیع میدان الکتریکی در خاک دو لایه متفاوت با الکترودهای به شکل مربع

 

شکل (6) نحوه توزیع میدان در خاک دو لایه متفاوت با الکترودهای به شکل مربع را نشان می­دهد. مشاهده می­شود که میدان درون خاک افزایش یافته و در سایر قسمت های توربین کاهش یافته است.

همانطور که از روی نمودارهای میدان در شکل­ 6 قابل مشاهده است، می­توان نتایج زیر را به دست آورد:

   1- زمانی که در سیستم زمین از الکترود استفاده نشده است میدان در قسمت­های مختلف توربین قوی­تر است و این میدان باعث آسیب رساندن به تجهیزات توربین بادی می­شود.

    2- با افزایش لایه­ی خاک زمانی که در سیستم زمین الکترود وجود ندارد میدان کمی قوی­تر می­شود و این افزایش میدان زمانی که لایه­های خاک متفاوت می­باشد بیشتر است.

    3- هنگامی که نحوه­ی چیدمان الکترودها به شکل مربع است با توجه به اینکه الکترود مرکزی که در قسمت پایین برج وجود دارد سبب تقویت میدان شده و در نتیجه بهتر است در طراحی این مدل سیستم زمین و نحوه ی چیدمان الکترودها از الکترود مرکزی استفاده نشود.

نمودار شکل (7) میدان الکتریکی بر حسب فاصله E(v-m) را برای پره­ها و سیستم زمین توربین بادی نشان می­دهد. برای قسمت­های پره و ناسل و برج و زمینی که در شبیه سازی جنس آن مس در نظر گرفته شده است. بر همین اساس، می­توان نتیجه گرفت که پره­ها از اجزای مهم توربین بادی می­باشند که بیشتر از سایر تجهیزات توربین در معرض خطر و آسیب دیدگی صاعقه است و با برخورد مستقیم صاعقه به نوک توربین مقدار E(v-m) از بالای پره های توربین به پاین پره ها این مقدار کاهش می­یابد تا به صفر برسد. مشاهده می­شود مقدار ماکزیمم E(v-m) بر روی پره در فاصله اولیه پره یعنی نوک پره تقریبا برابر با(v-m) 20000 می­باشد. همچنین، شکل (8) نمودار میدان الکتریکی بر حسب فاصله E(v-m) سیستم زمین را برای خاک ساده با الکترودهای دایره­ای نشان می­دهد. با بررسی نمودار شکل­های (7-ب) و (8) می­توان نتیجه گرفت که وجود الکترود در سیستم زمین باعث تخلیه میدان حاصل از صاعقه در زمین می­شود.

 

 

 

 

(الف)

 

(ب)

شکل (7): نمودار میدان الکتریکی بر حسب فاصله E(v-m) برای توربین بادی با خاک ساده بر روی (الف) پره­های توربین (ب) زمین

 

 

 

شکل (8): نمودار میدان الکتریکی بر حسب فاصله روی سیستم زمین E(v-m) برای خاک دو لایه متفاوت  

 

 

 

 

شکل (9): نمودار میدان الکتریکی بر حسب فاصله E(v-m) برای خاک دو لایه متفاوت با الکترودهای به شکل مربع 

 

با بررسی نمودارهای شکل (9) می­توان نتیجه گرفت که در خاک های دو لایه به دلیل اینکه ضریب نفوذ پذیری دو گونه خاک با هم متفاوت هستند، نمودار E(v-m) ها نیز متفاوت می­باشد. که دلیل آن این است که چون ضریب گذردهی با میدان رابطه عکس دارد و با توجه به اینکه مقدار ضریب گذردهی در لایه ی دوم نسبت به لایه اول کمتر است، نمودار E(v-m) در لایه دوم صعودی می­باشد.

شکل (10) بررسی مقدار ولتاژ در فرکانس­های مختلف بر اجزای توربین بادی را نشان داده است. در بررسی نمودار ولتاژ بر حسب فرکانس ( v-f) برای پره­های توربین مشاهده می­شود که بیشترین ولتاژ ناشی از برخورد صاعقه بر این قسمت وارد می­گردد. با افزایش فرکانس مقدار ولتاژ کاهش می­یابد، اما در فرکانس­های نزدیک MHz 6 با افزایش فرکانس مقدار ولتاژ افزایش می­یابد. با توجه به تغییرات این نمودار می­توان نتیجه گرفت که بیشترین ولتاژ ایجاد شده در پره­های توربین بادی زمانی است که فرکانس صاعقه کم یا خیلی بزرگ باشد.

 

 

 

(الف)

 

(ب)

 

(ج)

 

(د)

شکل (10): نمودارهای ولتاژ بر حسب فرکانس (v-f) برای خاک دو لایه متفاوت با الکترودهای به شکل مربع (الف) پره­ها (ب) ناسل (ج) برج (د) زمین

                                                               

 

برای بررسی اثر تغییرات طول الکترودها روی ولتاژ القایی، نتایج شبیه سازی در شکل (11) برای توربین بادی با چیدمان الکترود به شکل مربعی را نشان داده شده است. در این حالت نتایج را زمانی که طول الکترود از 5/2 متر به 1 متر کاهش می­یابد بررسی شده است. با مقایسه نمودارهای شکل (8) نسبت به حالتی که چیدمان الکترودها به شکل دایره­ای و طول آن 5/2 متر بود می­توان نتیجه گرفت که با کاهش طول الکترود مقدار ولتاژ القایی افزایش می­یابد، که این افزایش ولتاژ در همه­ی قسمت­های مختلف توربین به خصوص خاک مدل شده برای آن قابل مشاهده می­باشد.

 

 

 

(الف)

 

(ب)

 

(ج)

 

(د)

شکل (11): نمودارهای ولتاژ بر حسب فرکانس v-f برای الکترود به طول یک متر(الف) پره­ها (ب) ناسل (ج) برج (د) زمین.

 

4-       نتيجه‏گیری

در این مطالعه اثر برخورد مستقیم صاعقه بر روی اجزای توربین بادی با سیستم زمین خاک دو لایه متفاوت و با الکترودهایی بصورت مربعی شبیه سازی و تحلیل شد. توزیع میدان الکتریکی روی اجزای توربین بادی در خاک ساده و دو لایه با الکترودهایی به شکل مربعی و بدون آن­ها بررسی شد. بر اساس نتایج شبیه سازی، مشاهده شد که توزیع میدان در حالتی که در سیستم زمین از الکترود استفاده شده است، در قسمت­های مختلف توربین ضعیف­تر است و در نتیجه این میدان باعث کاهش آسیب رسانی به تجهیزات توربین بادی می­شود. در سیستم زمین با خاک دو لایه مقدار دامنه میدان الکتریکی به حدود 00002/0 ولت بر متر رسیده است. همچنین، بر اساس توزیع میدان می­توان نتیجه گرفت که پره­ها از اجزای مهم توربین بادی می­باشند که بیشتر از سایر تجهیزات توربین در معرض خطر و آسیب دیدگی صاعقه می­باشد و با برخورد مستقیم صاعقه به نوک توربین مقدار میدان از بالای پره­های توربین به پایین پره­ها این مقدار کاهش می­یابد. در نهایت، به بررسی مقدار ولتاژ در فرکانس­های مختلف بر اجزای توربین بادی پرداخته شد. در بررسی نمودار ولتاژ بر حسب فرکانس برای پره­های توربین مشاهده شد که بیشترین ولتاژ ناشی از برخورد صاعقه بر این قسمت پره­ها وارد می­شود. با افزایش فرکانس مقدار ولتاژ کاهش می­یابد، اما در فرکانس­های نزدیک MHz 6 با افزایش فرکانس مقدار ولتاژ افزایش یافته و به بیش از 400 ولت می­رسد.

 

مراجع

[1]        X. Zhang, Y. Zhang, and X. Xiao, "An improved approach for modeling lightning transients of wind turbines," International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 101, pp. 429-438, 2018, doi:10.1016/j.ijepes.2018.04.006.

[2]        M. E. M. Rizk, F. Mahmood, M. Lehtonen, E. A. Badran, and M. H. Abdel-Rahman, "Induced Voltages on Overhead Line by Return Strokes to Grounded Wind Tower Considering Horizontally Stratified Ground," IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 58, no. 6, pp. 1728-1738, 2016, doi:10.1109/TEMC.2016.2588000.

[3]        W. Li, N. Xiang, K. Bian, S. Zhang, T. Sun, Q. Wang, L. Cheng, and D. Zhu, "Transient characteristics of wind turbine grounding system in high soil resistivity area due to lightning strike," in 2020 IEEE International Conference on High Voltage Engineering and Application (ICHVE), 2020, pp. 1-4, doi:10.1109/ICHVE49031.2020.9279758.

[4]        R. D. Goud, T. Auditore, R. Rayudu, and C. P. Moore, "Frequency Domain Analysis of a Wind Turbine Generator Earthing System for Lightning Discharge Currents," IEEE Access, vol. 7, pp. 60501-60512, 2019, doi:10.1109/ACCESS.2019.2915104.

[5]        A. S. Zalhaf, M. Abdel-Salam, D.-E. A. Mansour, M. Ahmed, and S. Ookawara, "An Experimental Study of Lightning Overvoltages on a Small-scale Wind Turbine Model," Energy Procedia, vol. 156, pp. 442-446, 2019, doi:10.1016/j.egypro.2018.11.089.

[6]        Y. Wang and W. Hu, "Investigation of the Effects of Receptors on the Lightning Strike Protection of Wind Turbine Blades," IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 59, no. 4, pp. 1180-1187, 2017, doi:10.1109/TEMC.2016.2647260.

[7]        M. Minowa, K. Ito, S. I. Sumi, and K. Horii, "A study of lightning protection for wind turbine blade by using creeping discharge characteristics," in 2012 International Conference on Lightning Protection (ICLP), 2012, pp. 1-4, doi:10.1109/ICLP.2012.6344349.

[8]        S. A. Pastromas, K. Sandros, K. N. Koutras, and E. C. Pyrgioti, "Investigation of lightning strike effects on wind turbine critical components," in 2018 IEEE International Conference on High Voltage Engineering and Application (ICHVE), 2018, pp. 1-4, doi:10.1109/ICHVE.2018.8642050.

[9]        M. Kheshti, L. Ding, W. Bao, M. Yin, Q. Wu, and V. Terzija, "Toward Intelligent Inertial Frequency Participation of Wind Farms for the Grid Frequency Control," IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 16, no. 11, pp. 6772-6786, 2020, doi:10.1109/TII.2019.2924662.

[10]        M. Nazari, R. Moini, S. Fortin, F. P. Dawalibi, and F. Rachidi, "Impact of Frequency-Dependent Soil Models on Grounding System Performance for Direct and Indirect Lightning Strikes," IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 63, no. 1, pp. 134-144, 2021, doi:10.1109/TEMC.2020.2986646.

[11]        A. A. M. Laudani, E. C. Senis, P. L. Lewin, I. O. Golosnoy, J. Kremer, H. Klein, and O. T. Thomsen, "Estimation of Contact Resistivity in Lightning Protection Equipotential Bonding Joints of Wind Turbine Blades," IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 63, no. 4, pp. 1163-1178, 2021, doi:10.1109/TEMC.2021.3059365.

[12]        N. A. Sabiha, M. Alsharef, I. B. M. Taha, E. E. Elattar, M. K. Metwaly, and A. M. Abd-Elhady, "Assessment of grounding grid for enhancing wind turbine service sustainability," Ain Shams Engineering Journal, vol. 12, no. 1, pp. 577-589, 2021, doi:10.1016/j.asej.2020.08.005.

[13]        L. Grcev, "Impulse Efficiency of Ground Electrodes," IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 24, no. 1, pp. 441-451, 2009, doi:10.1109/TPWRD.2008.923396.

[14]        K. Yamamoto, S. Sumi, S. Sekioka, and J. He, "Derivations of Effective Length Formula of Vertical Grounding Rods and Horizontal Grounding Electrodes Based on Physical Phenomena of Lightning Surge Propagations," IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 51, no. 6, pp. 4934-4942, 2015, doi:10.1109/TIA.2015.2434950.

[15]        Q. Zhang, X. Tang, J. Gao, L. Zhang, and D. Li, "The Influence of the Horizontally Stratified Conducting Ground on the Lightning-Induced Voltages," IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 56, no. 2, pp. 435-443, 2014, doi:10.1109/TEMC.2013.2284929.

[16]        J. Gu, T. He, W. Chen, W. Shi, S. Huang, and K. Bian, "Characteristics of Lightning Attachment Point Distributions on Wind Turbine Blades under Downward Lightning," in 2019 11th Asia-Pacific International Conference on Lightning (APL), 2019, pp. 1-7, doi:10.1109/APL.2019.8815986.

[17]        Z. Guo, Q. Li, Y. Ma, H. Ren, Z. Fang, C. Chen, and W. H. Siew, "Experimental Study on Lightning Attachment Manner to Wind Turbine Blades With Lightning Protection System," IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 47, no. 1, pp. 635-646, 2019, doi:10.1109/TPS.2018.2873200.

[18]        M. Zhou, J. Huang, W. Zhao, J. Chen, L. Cai, C. He, J. Wang, and J. Xue, "Experimental Evaluation of Lightning Attachment Characteristic of Two Adjacent Wind Turbines," IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 38, no. 2, pp. 879-887, 2023, doi:10.1109/TEC.2022.3230150.

[19]        R. G. Deshagoni, T. Auditore, R. Rayudu, and C. P. Moore, "Factors Determining the Effectiveness of a Wind Turbine Generator Lightning Protection System," IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 55, no. 6, pp. 6585-6592, 2019, doi:10.1109/TIA.2019.2931866.

[20]        Y. Qin, H. Wang, Z. Deng, J. Zhang, R. Yang, and X. Cai, "Control of Inertia-Synchronization Controlled Wind Turbine Generators Under Symmetrical Grid Faults," IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 38, no. 2, pp. 1085-1096, 2023, doi:10.1109/TEC.2022.3213874.

 

زیرنویس‏ها

فناوری‏های نوین مهندسی برق در سیستم انرژی سبز، سال سوم، شماره ۴، زمستان ۱۴۰۳                                                   2

---

[1]  Wind turbine

[2]  Lightning strike

[3]  Overvoltage

[4]  Electrical conductivity

[5]  Ground system

[6]  Electrode

[7]  COMSOL

[8]  Direct strike

[9]  Two-layer soil

[10]  High-Frequency Structure Simulator (HFSS)