老尖山、大中山風電場2019年雷電活動特征分析

大姚云能投新能源開發(fā)有限公司 黃縛虎 管彥華 云南能源投資股份有限公司 段家華

云南省氣象災害防御技術中心 胡 穎 尹磊邦

雷電是造成風力發(fā)電機損壞最主要的自然災害之一。云南風電資源非常豐富，同時云南高原山地風電場由于受高原氣候、地質(zhì)、環(huán)境、雷暴等因素的影響，風力發(fā)電機組的防雷一直是困擾整機廠商和業(yè)主的重要問題之一[1]。風電場每年每百臺風力發(fā)電機組的雷擊率在10%左右，造成風機系統(tǒng)設備、器件等損壞，會產(chǎn)生高昂的維修費用，同時還會造成機組停運影響發(fā)電[2]。按照收益率估算，每臺風機至少需要運行20年才能避免虧損，需盡量避免因雷擊造成的機組停電或維修事件發(fā)生，所以做好風電機組的防雷保護至關重要。通過分析風電場周邊雷電活動的分布，找出最易遭受雷擊的風電機組，加強防護、主動避讓，可以很大程度上降低雷擊風機造成的損失。

1 老尖山風電場2019年雷電活動時空分布

老尖山風電場位于云南省楚雄彝族自治州大姚縣與姚安縣交界的山脈，設計安裝24臺單機容量2.0MW的風力發(fā)電機組，裝機規(guī)模為48MW，每臺風力發(fā)電機組配套建設1臺箱變，風機的輪轂高度為80米，葉輪直徑為111米。同時建有一座110kV的升壓站，24臺風力發(fā)電機組通過箱變升壓至35kV，通過2回35kV集電線路接入老尖山風電場110kV升壓站。統(tǒng)計2019年全年二維閃電定位儀監(jiān)測的老尖山風電場（經(jīng)度101.51°，緯度25.59°）、大中山風電場（經(jīng)度101.37°，緯度25.61°）半徑10公里范圍的地閃數(shù)據(jù)，結(jié)合地理信息數(shù)據(jù)，用數(shù)理統(tǒng)計、插值等方法分析風電場周邊雷電活動情況。

1.1 雷電活動空間分布

2019年1 ～12 月期間老尖山風電場周邊10公里范圍內(nèi)共發(fā)生地閃495次，其中負地閃480次，正地閃15次，最大地閃強度達到143.1KA。周邊區(qū)域地閃密度在4～9.6次/km2.a，地閃強度在17.6～50.7KA之間，其中d1～d5號風機及升壓站處于雷電高易發(fā)區(qū)，且雷擊強度較大。d18～d24號風機處于雷電一般易發(fā)區(qū)，但雷擊強度較大，也應加強防范。

據(jù)統(tǒng)計，2019年老尖山d1～d5號風機及升壓站周邊500m范圍內(nèi)在7月18日、8月3日、8月22日有地閃發(fā)生，強度最大地閃為8月22日發(fā)生在升壓站附近的地閃，達到59.6KA；d6～d12號風機周邊500m范圍在5月27日、7月24日、8月3日有地閃發(fā)生，強度最大地閃為7月24日發(fā)生在d6號風機附近地閃，達到74.3KA；d14～d17號風機周邊500m范圍在5月27日、8月3日有地閃發(fā)生，強度最大地閃為8月3日發(fā)生在d17號風機附近地閃，達到30.9KA；d18～d24、d13號風機周邊500m范圍在5月27日、8月3日有地閃發(fā)生，強度最大地閃為9月20日發(fā)生在d13號風機附近地閃，達到55.5KA。

1.2 雷電活動時間分布

從圖1可看出，區(qū)域周邊10公里范圍內(nèi)地閃活動集中發(fā)生在8月，高達270次，占全年總閃次數(shù)的55%左右。地閃強度分布相對平均，集中在30～40KA之間。3月平均強度相對較大，達到50KA。2月、3月閃電活動偶有發(fā)生，以正閃為主，正閃平均強度較大，一旦發(fā)生雷電活動，造成雷擊災害的風險也較大。

從圖2可看出，地閃活動有兩個高峰時段，高峰時段在下午15～16時左右，地閃次數(shù)達到168次。次高峰時段在夜間2時～3時。1時雷電開始增多，2時達到最大值31次。地閃低谷時段為凌晨4時至中午11時，該時段內(nèi)基本無閃電發(fā)生。平均地閃強度最大時區(qū)在晚間22～23時、凌晨3～4時，該時段閃擊次數(shù)相對較少，但雷擊強度較大。雷暴云的發(fā)展與熱氣團在不穩(wěn)定環(huán)境中的對流抬升有關，地閃活動日分布的該特征是由于太陽輻射在中午達到最強，下墊面升溫明顯，層節(jié)易不穩(wěn)定，增加了局地熱對流的發(fā)生機率。日落后太陽輻射銳減，對流消散明顯，地閃活動相應減少。夜晚受大氣逆輻射的影響，地閃活動會出現(xiàn)另一個高峰期。

2 大中山風電場2019年雷電活動時空分布

大中山風電場位于云南省楚雄州大姚縣金碧鎮(zhèn)東南面與姚安縣東北面前場鎮(zhèn)交界處的羅么乍箐頭-松子山-大中山一帶山脊部位。建設有20臺單機容量為2.0MW的風力發(fā)電機組，每臺風力發(fā)電機組配套建設1臺箱變，風機的輪轂高度為80米，葉輪直徑為93米和102米。同時在場區(qū)中部建設了一座110kV的升壓站。

2.1 雷電活動空間分布

2019年1 ～12 月期間，大中山風電場周邊10公里范圍內(nèi)共發(fā)生地閃385次，其中負地閃353次，正地閃32次，最大地閃強度達到135.1KA。據(jù)統(tǒng)計，地閃密度在4.6～6次/km2·a，地閃強度在29.5～40.3KA之間。D1～D13號風機處于雷電一般易發(fā)區(qū)，D14～D20號風機處于雷電中等易發(fā)區(qū)，但周邊區(qū)域雷擊強度也較大。2019年大中山風電場升壓站、風機未遭受過雷擊，區(qū)域周邊3公里范圍內(nèi)在6月13日、7月3日、7月4日發(fā)生過雷擊。總體來說，大中山風電場區(qū)域周邊10公里范圍內(nèi)雷電活動一般密集。

2.2 雷電活動時間分布

從圖3可看出，區(qū)域周邊10公里范圍內(nèi)地閃活動集中發(fā)生在6月和8月，分別高達107次和104次，占全年總閃次數(shù)的55%左右。地閃強度分布相對平均，集中在30～40KA之間。2月平均強度相對較大，達到73KA。2月、3月閃電活動偶有發(fā)生，以正閃為主，正閃平均強度較大，一旦發(fā)生雷電活動，造成雷擊災害的風險也較大。

圖4為大中山風電場區(qū)域地閃次數(shù)和強度的小時分布圖，地閃活動有兩個高峰時段，高峰時段在下午15～20時左右，15～16時地閃次數(shù)達到66次。次高峰時段在夜間1時～2時。0時雷電開始增多，12時達到最大值28次。地閃低谷時段為凌晨7時至中午12時，該時段內(nèi)基本無閃電發(fā)生。平均地閃強度最大時區(qū)在晚間22～23時、凌晨4～5時，該時段閃擊次數(shù)相對較少，但雷擊強度較大。

3 結(jié)語

老尖山風電場和大中山風電場相比，2019年老尖山風電場周邊10公里范圍內(nèi)雷電活動更為頻繁，地閃更為密集，雷雨天氣時遭受雷擊的風險更大。風電場在選址時應充分考慮雷電環(huán)境，考慮雷電對風電場運行可能帶來的潛在影響[3]。變被動防雷為主動避讓，可以很大程度上降低雷擊風機造成的損失。老尖山風電場2019年D1～D24號風機以及升壓站周邊500m范圍內(nèi)均有地閃發(fā)生，地閃強度最大達到74.3KA。其中，D11、D12、D16、D17號風機周邊100m范圍內(nèi)有地閃發(fā)生。大中山風電場2019年D1～D20號風機周邊500m范圍內(nèi)均無地閃發(fā)生。老尖山風電場2019年地閃最多月為8月，地閃高峰時段為15～16時，2月、3月閃電活動偶有發(fā)生，以正閃為主，但平均強度較大。大中山風電場2019年地閃最多月為6月、8月，地閃高峰時段為15～20時，2月平均強度相對較大，達到73KA。

通過分析風電場周邊歷史雷電活動分布情況，可找到風機雷電防護的薄弱環(huán)節(jié)，指出雷電防護的重點時段，同時有針對性加強防護，減少被雷電擊中的概率。