張 博, 孫 通, 聶家誼, 張 石, 夏 暉, 霍煥杰

(1.龍源(北京)風電工程技術有限公司,北京 100081; 2.合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著對風能資源不斷的開發(fā),很多風電場布置在地形復雜的山區(qū)中。風機本身高聳的結構和山區(qū)中復雜的地形使風機極易遭受雷擊,因此對山區(qū)風電場中的風力發(fā)電機進行合理、準確的雷擊風險評估,為風機防雷裝置提供理論依據(jù)是很有必要的。

早期對電力設備進行雷電防護評估時使用的是折線法[1],折線法通過對縮比模型進行試驗得到防雷設備的保護范圍,缺乏足夠的理論分析。進一步深入研究后,電氣幾何模型[2]作為一種效果更佳的方法被提出來取代折線法。電氣幾何模型認為防雷設備的保護范圍與雷電回擊電流峰值相關,被實際應用于電力架空線的避雷設計等,但是電氣幾何模型對放電過程過度的簡化,無法體現(xiàn)不同結構和高度的物體對附近電場帶來的影響,在應用于高大或復雜形狀的建筑物時,理論結果與觀測結果差距較大。高大建筑物(如高塔、風機等),在遭受下行雷擊時,往往會產生迎面先導,文獻[3]提出一種自洽式先導發(fā)展模型(self-consistent leader inception and propagation model,SLIM),用來研究建筑物上行先導的始發(fā)情況,對下行梯級先導動態(tài)發(fā)展過程中何時導致上行先導始發(fā)進行了模擬;文獻[4]將SLIM應用到風機上,計算葉片接閃器擊距,為風機防雷系統(tǒng)設計提供了理論基礎;文獻[5]通過SLIM模型計算風機葉片不同位置的擊距,得到葉片不同位置遭受雷擊概率,解釋了部分風機接閃器失效的原因;文獻[6]基于之前的研究基礎,利用SLIM模型對風機的雷擊截收區(qū)域面積進行計算,結合地閃密度得到風機年均遭受雷擊次數(shù)來表征風機的雷擊風險。上述研究僅考慮風機本體對于雷擊目標點附近電場的影響,未考慮風機所處地形結構與多風機間的屏蔽作用對風機雷擊風險的影響[7]。

為了合理地對山區(qū)風電場中風力發(fā)電機組進行雷擊風險評估,本文首先對風機及風機所處的地形結構,包括地形高度、地面傾角和風機所處位置3個方面進行建模;其次基于SLIM模型，計算風機處于不同地形結構下的風機雷擊截收區(qū)域,并定量討論回擊電流與雷擊截收區(qū)域的關系;最后考慮多風機屏蔽效應對風機雷擊截收區(qū)域的影響,根據(jù)風機所在地的地閃密度和風機實際雷擊截收面積,計算得到風力發(fā)電機組年均遭受雷擊次數(shù)來表征風機的雷擊風險。

1 雷擊風險評估方法及計算

1.1 風機雷擊風險評估方法

本文利用風機遭受年下行雷擊次數(shù)來表征風機的雷擊風險。

年下行雷擊次數(shù)計算公式為:

N=DgS

(1)

其中:N為風機遭受的年下行雷擊次數(shù);Dg為風機所在地的地閃密度;S為風機雷擊截收區(qū)域的對地投影面積。

風機所在地的地閃密度可以通過觀測數(shù)據(jù)得到,也可以通過文獻[1],利用所在地的雷暴日進行計算,即

Dg=0.04Td1.25

(2)

風機雷擊截收區(qū)域示意圖如圖1所示,當發(fā)生下行負極性雷擊時,梯級先導向下發(fā)展到一定區(qū)域內,風機葉片尖端等曲率半徑較小的地方可以產生穩(wěn)定發(fā)展的迎面上行正極性先導,最終下行梯級先導與迎面先導相連,雷電擊中風機,將這個區(qū)域定義為風機的雷擊截收區(qū)域。當梯級先導在向下發(fā)展過程中沒有進入到風機的雷擊截收區(qū)域時,雷最終會被大地或者其他物體所截收。

圖1 風機雷擊截收區(qū)域示意圖

1.2 利用SLIM計算雷擊截收區(qū)域流程

風機的雷擊截收區(qū)域由雷云、下行梯級先導、大地和風機形成的空間電場決定?；負綦娏鞣禌Q定了梯級先導通道總的電荷量,從而影響空間電場的大小。而地形結構的不同使風機附近的空間電場有不同程度的畸變,同時大地對雷電的截收距離也會發(fā)生改變。本文主要研究回擊電流幅值和風機所處的地形結構與風機雷擊截收區(qū)域的定量關系。

據(jù)觀測數(shù)據(jù)顯示,因為下行負極性雷電占雷電總數(shù)的90%以上[8],所以本文只對風機遭受下行負極性雷擊的情況進行研究,根據(jù)雷電觀測數(shù)據(jù)和仿真計算,設定風機高度最高的葉片尖端為風機的雷擊目標點。風機雷擊目標點正極性先導的始發(fā)是決定風機是否遭受雷擊的重要因素。正極性先導發(fā)展需要經(jīng)過初始流注起始、正先導起始和正先導連續(xù)發(fā)展3個重要環(huán)節(jié)[9],利用SLIM計算風機遭受雷擊的流程如圖2所示。

圖2 利用SLIM計算風機遭受下行雷擊流程

利用有限元法對雷云、梯級先導、風機和大地構成的空間電場進行求解,空間激勵電場由雷云和下行梯級先導組成,本文采用文獻[10]提出的電荷密度結構來對下行梯級先導通道內電荷分布進行建模,即大部分電荷集中在梯級先導頭部,通道內距離梯級頭部距離增加,在梯級頭部內電荷量成指數(shù)衰減,而其余部分為線性衰減,與梯級通道電荷密度相關的表達式如下:

(3)

G(z0)=1-z0/L

(4)

J(z0)=0.3α+0.7G(z0)

(5)

(6)

其中:Ip為回擊電流幅值;z0為梯級先導通道頭部距離地面高度;L為梯級先導通道長度。梯級先導通道中的系數(shù)分別為:a0=1.476×10-5；a=4.857×10-5；b=3.909×10-6;c=0.522;d=3.730×10-3。

利用臨界半徑法的經(jīng)驗公式來判斷風機上的雷擊目標點是否有流注放電的產生,在小于臨界半徑的尖端附近，當電場強度達到3 MW/m時,風機雷擊目標點發(fā)生流注放電。文獻[11]建立的流注先導轉換模型中認為當流注放電產生的電荷量大于1 μC時,則正先導始發(fā)。流注放電電荷量計算采用文獻[9]提出的模擬電荷法,如圖3所示。圖3中:U0為雷擊目標點與下行先導頭部連線上的電位;U1為在ls處發(fā)生流注放電后流注區(qū)域的電位。

圖3 流注起始時空間電位分布

發(fā)生流注放電產生的電荷量Q0為:

(7)

其中,kQ為幾何因數(shù),取3.5×10-11C/(V·m)。

先導起始后,先導頭部會有二次流注產生,接著計算二次流注所轉化形成先導的長度,當最終轉化為先導的長度可以達到臨界值2 m時,若滿足穩(wěn)定迎面上行先導起始的條件,則認為該梯級先導擊中風機。若在計算過程中,先導長度的增量開始減小,則認為上行先導終止發(fā)展,梯級先導不會擊中風機。

1.3 多風機屏蔽效應

當2臺風力發(fā)電機組之間距離較近,雷擊截收區(qū)域有交疊時,下行雷擊的先導頭部進入到交疊的雷擊截收區(qū)域,雷擊中2臺風機的概率相同,因此2臺風機的等效截收區(qū)域面積減少,這就是風機之間的屏蔽效應。

多數(shù)關于風機屏蔽效應的研究是對處于平原或海拔相等的風機進行雷擊截收區(qū)域的計算,利用雷擊截收區(qū)域的投影來計算多風機之間的屏蔽效應,而本文考慮地形結構對于風機雷擊截收區(qū)域高度的影響,如圖4所示。從圖4可以看出,海拔相同的風機所處的地形結構對風機雷擊截收區(qū)域的面積和高度都有影響,雷擊截收區(qū)域較高的風機會降低附近雷擊截收區(qū)域較低風機的雷擊風險。

圖4 未考慮地形結構和考慮地形結構的多風機屏蔽效應

2 計算過程及結果

2.1 計算對象

本文對云南雪邦山風電場中風力發(fā)電機進行雷擊風險分析,云南雪邦山擁有66臺1.5 MW的遠景風機,塔筒高度為80 m,葉片長度為43.5 m。

風機所處地形結構從地形高度、地面傾角和風機所處位置3個方面進行描述,地形高度選取4、8 m 2種情況,地面傾角選取1°、3°、45°,風機所處位置選取了山頂和山坡2種情況進行建模。

2.2 計算過程及結果分析

(1) 設定回擊電流幅值為25 kA,地形高度為40 m,地面傾角為10°,風機位于山頂,計算該情況下風機所對應的雷擊截收區(qū)域。

建立計算模型如圖5所示。按照上述計算過程，得到該條件下風機的雷擊截收區(qū)域面積的對地投影如圖6所示,形狀近似圓形。雷擊目標點的投影坐標是(-22,0),以X=-22為軸,軸的右側地形結構比左側對空間電場的畸變影響大,對應的雷擊截收距離較遠,平均截收區(qū)域半徑為260 m。

圖5 考慮風機所處地形結構的計算模型

圖6 設定條件下計算得到的風機雷擊截收區(qū)域投影面積

(2) 考慮回擊電流幅值對于風機雷擊截收區(qū)域的影響。保持地形高度為40 m,地面傾角為10°,風機位于山頂?shù)臈l件不變,計算回擊電流幅值為0～300 kA。

將計算得到的結果與IEC推薦的折線法、電氣幾何模型法計算結果進行對比,其中折線法與回擊電流無關,僅與雷擊目標物的高度有關,電氣幾何模型法參數(shù)設置可以參照經(jīng)典公式，即

rs=6.72Ip0.8

(8)

折線法是根據(jù)實際觀測數(shù)據(jù)和縮比實驗得到的方法。3種方法對比結果如圖7所示,從圖7可以看出，本文的方法在發(fā)生頻率概率較高的回擊電流幅值下計算結果與折線法較為接近,而在發(fā)生頻率概率較低的回擊電流幅值下計算結果與電氣幾何模型法較為接近。

圖7 3種方法計算得到的雷擊截收區(qū)域投影面積

因為回擊電流幅值服從概率分布,所以結合回擊電流概率和不同電流下的雷擊截收面積得到單臺風機的等效雷擊截收區(qū)域面積。將風機的等效雷擊截收面積進行累加,與風機所在地的地閃密度相乘，最終得到該條件下風機遭受的年下行負極性雷擊次數(shù)。

(3) 考慮地形結構對于雷擊截收區(qū)域面積的影響。設定仿真條件地面傾角為10°,風機位于山頂,計算地形高度分別為40、80 m,回擊電流幅值為0～300 kA,風機的雷擊截收區(qū)域投影面積計算結果如圖8所示。由圖8可知，當?shù)孛鎯A角為10°時,80 m地形高度相較于40 m地形高度,在回擊電流為25、45 kA時,風機雷擊截收區(qū)域投影面積分別增加8%、16%。

圖8 風機處于不同地形高度下的雷擊截收區(qū)域投影面積

保持地形高度40 m不變,計算0°、30°、45° 地面傾角下的風機雷擊截收區(qū)域投影面積,如圖9所示。從圖9可以看出，地形高度為40 m時,地面傾角30°、45°相較于10°時增加的比例為6.00%、6.82%。

圖9 不同地面傾角的雷擊截收區(qū)域投影面積

結合雪邦山當?shù)氐牡亻W密度,統(tǒng)計不同地形高度和地面傾角下風機遭受年雷擊次數(shù),如圖10所示。從圖10可以看出，80 m的地形高度相較于40 m的地形高度,在地面傾角為10°、30°、45°下,風機遭受雷擊次數(shù)增加的比例分別為17.3%、43.5%、47.4%。

圖10 不同地形條件下風機遭受年下行負極性雷擊次數(shù)

對風機位于山坡的情況進行仿真計算,建模如圖11所示。由圖11可知，地形高度為80 m,地面傾角為30°,葉片旋轉角度為90°,風機高度分別設置為40、53 m,計算回擊電流為0～300 kA下的風機雷擊截收區(qū)域投影面積,結果見表1所列。風機位于山坡位置相較于風機位于40 m山頂位置,風機雷擊風險增加了4%,影響較小。

圖11 風機位于山坡建模

表1 風機位于山坡不同位置時風機的雷擊截收區(qū)域面積

當多臺風機距離較近,風機雷擊截收區(qū)域有交疊時,雷擊截收區(qū)域的高度會在一定程度上影響多風機的屏蔽效應。風機雷擊截收區(qū)域高度與地形結構的關系如圖12所示。由圖12可知，地形結構對風機雷擊截收區(qū)域的高度和面積的影響相似,雷擊截收區(qū)域高的風機會對雷擊截收區(qū)域低的風機產生屏蔽作用。

圖12 不同地面傾角下的雷擊截收區(qū)域高度

3 討 論

本文以云南雪邦山風電場為例,考慮山區(qū)中復雜地形結構和多風機屏蔽效應對風機雷擊風險的影響,基于SLIM模型對風電場中風力發(fā)電機進行雷擊風險評估。建立了地形高度為40、80 m,地面傾角為1°、3°、45°,風機位于山頂和山坡的雷擊截收區(qū)域計算模型,計算得到不同地形結構與雷擊截收區(qū)域的定量關系。

首先通過仿真得到回擊電流對風機雷擊截收區(qū)域的影響,風機雷擊截收區(qū)域的面積隨回擊電流的增加而增加,呈對數(shù)增長；其次研究地形結構對于風機雷擊截收區(qū)域的影響,地形結構中地形高度的變化對風機雷擊截收區(qū)域的影響最大,地形高度變化一方面是改變風機所處的海拔,另一方面是地形高度的增加使得地形結構發(fā)生變化,從而使風機周圍電勢發(fā)生畸變。風機所處位置對于風機的雷擊風險影響較小,部分地形較小的凸起或凹陷對于風機雷擊截收區(qū)域的影響有限。

多風機雷擊截收區(qū)域有交疊時,風機雷擊風險的評估還需要考慮多風機的屏蔽效應。從部分地形結構與風機雷擊截收區(qū)域高度的仿真結果可以看出,地形結構對風機雷擊截收區(qū)域面積和高度的影響趨勢基本相同,較高的地形高度和較大的地面傾角會使風機的雷擊截收區(qū)域面積增加,使風機的雷擊截收區(qū)域的高度變高。因此當2臺不同地形結構的風機雷擊截收區(qū)域有交疊時,2臺風機的雷擊風險均有所下降,而雷擊截收區(qū)域面積較大的風機雷擊風險下降得較小。

4 結 論

本文將SLIM模型應用到山區(qū)風力發(fā)電機組的雷擊風險評估中,從地形高度、地面傾角和風機所處位置來描述風機所處的復雜地形,通過地形結構與風機雷擊截收區(qū)域的定量關系和多風機間的屏蔽效應對風機雷擊風險進行評估。

(1) 地形高度對風機雷擊截收區(qū)域的影響程度大于地面傾角和風機所處位置。當風機位于山頂位置,地面傾角一定時,地形高度越高,風機的雷擊風險也越高。80 m的地形高度相較于40 m的地形高度,在地面傾角為10°、30°、45°下,風機遭受雷擊次數(shù)增加的比例分別為17.3%、43.5%、47.4%。

(2) 地形高度為40 m時,地面傾角30°、45°相較于10°時增加的比例為6.00%、6.82%。地形高度越高,地面傾角的變化對風機遭受雷擊次數(shù)的影響變大。

(3) 山頂高度80 m,風機高度40 m,風機位于山坡位置相較于風機位于40 m山頂位置,風機雷擊風險增加了4%,影響較小。

(4) 當多臺風機的雷擊截收區(qū)域有交疊時,雷擊截收區(qū)域高度較高的風機會降低附近雷擊截收區(qū)域較低風機的雷擊風險,而雷擊截收區(qū)域高度較高，風機的雷擊風險變化較小。