何量,高子欽,羅小峰,甘楊成,劉積喜,陳銳良,肖穩(wěn)安,楊暉
(1.廣東粵電電白風(fēng)電有限公司,廣東茂名 525400;2.廣東佛山順德倫教金盾防雷技術(shù)發(fā)展有限公司,廣東佛山 528308;3.南京信息工程大學(xué),江蘇南京 210044;4.廣州市氣象局,廣東廣州 510530)
區(qū)域防雷的理論和設(shè)計方法[1],采用了楊暉等[2]對兩次雷擊之間的時間間隔,雷暴云運動的方向和速度,以及郄秀書等[3]避雷針電暈后下風(fēng)向地表電場的衰減和屏蔽作用的最新觀測和研究成果,建立了一個新的電氣幾何模型[4]。按照這個電氣幾何模型,選擇在風(fēng)電場上風(fēng)向的風(fēng)機設(shè)置攔截點,雷云對攔截點風(fēng)機機艙上的避雷針放電,使得下風(fēng)向區(qū)域的風(fēng)機不發(fā)生直接雷擊而以預(yù)防雷電電磁場損壞為主。
雷電對攔截點風(fēng)機機艙上的避雷針放電,雷電流流過風(fēng)機塔體時將產(chǎn)生劇烈變化的電磁場。理論上,由雷電流變化產(chǎn)生的電磁場是一個感應(yīng)場[5]。對雷擊電磁場的分析有很多方法,如窗時域有限差分法等[6],但涉及的因子較多,計算比較復(fù)雜。
本研究通過攔截點避雷針接閃放電的數(shù)學(xué)模型,分析了雷擊點電磁場的性質(zhì)和特點,給出了區(qū)域防雷設(shè)計中雷擊電磁場強度梯度分布的空間高度、計算方法和應(yīng)用。
彼得遜等效電路是分析雷電放電的一種數(shù)學(xué)模型[7]。雷擊放電由電暈(先導(dǎo))放電轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀。ㄖ鳎┓烹姷倪^程,可以用一根已充電的垂直導(dǎo)線突然與被擊物體接通來模擬,如圖1所示。
圖1 雷電放電的彼得遜等效電路
從圖1可以看出,容易測量的量是電弧(主)放電后流過阻抗Z的電流。因此,把此放電過程簡化成為一個數(shù)學(xué)模型,利用彼得遜等效電路(圖1d),可求得比較統(tǒng)一的分析結(jié)果。
由于雷電流流經(jīng)被擊物體時的大小與被擊物體的波阻抗有關(guān),因此,把被擊物體的波阻抗為零時的電流定義為雷電流,用I表示。根據(jù)雷電放電的等效電路,可知流經(jīng)被擊物體波阻抗為Z時的電流Iz與雷電流I的關(guān)系為
其中,Z0為雷電通道的波阻抗,通常為300~400 Ω[8];Z為被擊物體波阻抗(Ω);I為雷電流(A);IZ為流經(jīng)被擊物體的電流(A)。
區(qū)域防雷攔截點避雷針(包括引下線、塔筒)到大地之間的波阻抗,相當(dāng)于單根導(dǎo)線接地的波阻抗,其阻抗Z與單位長度的分布參數(shù)有關(guān),如圖1c所示,即
其中,L0為單位長度電感(H/m);C0為單位長度電容(F/m)。
因避雷針安裝在攔截點的風(fēng)機機艙上,避雷針和風(fēng)機的規(guī)格尺寸不同,單位長度的L0和C0不同,波阻抗也就不同,比較嚴(yán)格的計算,應(yīng)按桿塔分段波阻抗進(jìn)行模擬[9]。許多情況下,在雷擊點由閃電“看到”的阻抗為幾十歐姆或以下,它使人們可以假定雷電通道有無窮大的等效阻抗。假定雷電通道的波阻抗Z0為300Ω,避雷針到大地之間的波阻抗Z=50Ω,同時,按照國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)雷電流全球首次負(fù)雷擊平均峰值電流分布IZ=30 kA[10],把Z和IZ代入式(1),可得I=35 kA??梢娎讚敉ǖ乐?,在雷擊點以上部分的通道電流I比雷擊點以下部分的電流IZ要大一些。I與IZ值的不同,在雷電流經(jīng)過的區(qū)間所產(chǎn)生的電磁場強度就不同。由于雷擊點避雷針電暈產(chǎn)生的離子,在下風(fēng)向形成屏蔽層,隔離了通道電流I產(chǎn)生的電磁場對IZ產(chǎn)生的電磁場的耦合,因此,風(fēng)電場電磁場強度梯度分布計算的高度為風(fēng)機避雷針高度以下的空間水平梯度。
避雷針攔截雷電的原理,是在雷云下行先導(dǎo)電場的作用下產(chǎn)生與下行先導(dǎo)方向相對運動的上行先導(dǎo),在空中與下行先導(dǎo)連接而形成放電。上行先導(dǎo)長度一般為幾十米[11]。顯然安裝在風(fēng)機機艙上的避雷針只有在風(fēng)機葉片端部運動到低于機艙避雷針高度時才起作用。此種狀態(tài)下,風(fēng)電場電磁場強度梯度分布計算的高度將由兩部分組成,即風(fēng)機葉片高度和機艙避雷針高度。
雷電流流過避雷針和風(fēng)機塔筒時,根據(jù)畢奧-薩伐爾定理,將在電流流過的路徑感應(yīng)出磁場,磁場的變化感應(yīng)出變化的電場,電磁場周而復(fù)始的變化形成了電磁波。電磁波的電場和磁場空間矢量關(guān)系見圖2,具有在空間上電場和磁場同相位且相互垂直;在時間上電場和磁場相差π/2、電場或磁場變化一周,向前傳輸一個波長的距離3個特征。
圖2 電場和磁場空間矢量關(guān)系
根據(jù)麥克斯韋方程[12]:
當(dāng)磁場B=sinωt時
其中,▽為矢量算子;E為電場強度(V/m);B為磁感應(yīng)強度(W/m2)。
計算結(jié)果表明,被磁場感應(yīng)出的電場和原磁場相位相差-π/2。也就是說,機艙避雷針雷電流流過引下線和塔筒時,首先產(chǎn)生磁場,而在其峰值(π/2)后產(chǎn)生電場。引起線路和電子器件過電壓的電磁脈沖有害分量d B/d t,只與λ/4的磁場變化陡度有關(guān)。
波長的選擇與風(fēng)電場電磁場強度梯度分布的距離相關(guān)。電磁波的波長用λ=v/f計算,其中,λ為波長(m);v為光速(m/s);f為頻率(Hz)。波長選擇的基本原則:
(1)考慮雷擊波形為單個脈沖在線路上傳輸,且只考慮由零上升到最大值,采用IEC推薦的1.2/50μs波形包絡(luò)線分析,其波長λ=360 m。
(2)考慮雷擊電磁場對風(fēng)電場采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition,SCADA)[13]的影響,可對雷擊波形進(jìn)行傅里葉變換,得到頻幅和能量最大的頻率分量[14],選擇最接近SCADA工作頻率的分量加于分析。
(3)根據(jù)雷電波形的頻幅特性和能量分布,選擇5~10 kHz的波長進(jìn)行計算。戈爾德[15]把雷擊波1 kHz,50 km作為近、遠(yuǎn)場的劃分界限,可作參考。
另外,在考慮λ/4波長對雷擊點風(fēng)機影響的同時,需要考慮對周邊風(fēng)機的影響。根據(jù)電磁場時間矢量關(guān)系,可看出電磁場在傳播方向傳輸時,電場和磁場的時間矢量相位關(guān)系,電場是水平的,磁場是垂直的,二者在空間上相差90°,如圖3所示。
圖3 電場和磁場時間矢量關(guān)系
因此,雷擊點風(fēng)機電流產(chǎn)生的磁場方向?qū)⒁岳讚酎c為圓心平行于地面向外傳播(風(fēng)機避雷針高度以下空間水平梯度)。周邊風(fēng)機內(nèi)部垂直于地面布置的690 V電源線路和機艙與塔基連接的控制線路與雷擊點風(fēng)機平行,將產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
由電磁波的空間和時間矢量分析可知,區(qū)域防雷預(yù)防雷擊電磁場主要在λ/4距離內(nèi)由原電流產(chǎn)生的磁場。由雷擊電流產(chǎn)生的磁場,用畢奧-薩伐爾定理,按式(4)計算。
其中,γ=1(在m.k.s.a單位制);H為磁場強度(A/m);I為電流(A);R為測量點至電流源點的距離(m)。
在雷電防護(hù)工程技術(shù)中,經(jīng)常用到高斯單位制,因為B=μ0H,為了方便,可把式(4)變成式(5)。
其中,B為磁感應(yīng)強度(T)(1 T=104Gs);μ0=4π×10-7;I為電流(A);R為測量點至電流源點的距離(m)。
對區(qū)域防雷設(shè)計保護(hù)的特定區(qū)域范圍內(nèi),磁場強度梯度分布可直接應(yīng)用式(5)計算。只要對式(5)中I選定一個值,然后對R分別賦值,即可計算出雷擊點風(fēng)機和風(fēng)電場的磁場強度梯度分布。
本研究就廣東電白熱水風(fēng)電場的雷擊磁場強度梯度分布進(jìn)行分析:雷擊電流的取值采用國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)負(fù)雷擊平均電流峰值的全球分布I=30 kA;按照距攔截點風(fēng)機半徑500 m距離,參照Q/DXYH·001—2018《煙花爆竹生產(chǎn)企業(yè)雷電護(hù)技術(shù)規(guī)范》區(qū)域防雷設(shè)計的保護(hù)范圍[16],分兩步計算電磁場的強度梯度分布。
第1步:把電子設(shè)備損壞值B=2.4 Gs代入式(5),計算R的值(半徑范圍)[17]:
計算結(jié)果表明,當(dāng)雷擊電流為30 kA時,2.4 Gs磁場強度半徑為25 m。然而,風(fēng)機塔筒內(nèi)的直徑約6 m,若避雷針接閃的雷電流超過10 kA,風(fēng)機塔筒內(nèi)磁場強度將超過SCADA的損壞閥值2.4 Gs。而安裝在塔基附近的箱變,也將被高強度磁場所覆蓋。
第2步:把保護(hù)區(qū)內(nèi)任一點擬與選攔截點的直線距離R每隔100 m分成5個梯度,把R1代入式(5)計算可得B1:
分別把R2=200 m、R3=300 m、R4=400 m、R5=500 m代入B1計算式,結(jié)果分別為0.3、0.2、0.15、0.12 Gs,梯度分布見圖4。
計算結(jié)果表明:
(1)對雷擊點風(fēng)機的SCADA具有嚴(yán)重的影響,需對其進(jìn)行加固。
(2)對距雷擊點風(fēng)機大于100m半徑的其它風(fēng)機的影響可以忽略。
(3)雷擊點風(fēng)機磁場強度過大而導(dǎo)致的線路過電壓,將以光速通過與雷擊點風(fēng)機相互連接的物理介質(zhì)(光纖的鋼絲,690 V線路,接地連接線等)傳導(dǎo)到其它風(fēng)機而引起SCADA損壞。
(4)雷電流波形中幅值與能量較高的5~10 kHz的頻率分量,其波長為60~30 km。需要考慮λ/4干擾的半徑范圍為15~7.5 km。按電磁干擾的頻率范圍分類,雷電的頻率在30 kHz以下,屬甚低頻干擾源[18]。
因此,風(fēng)電場風(fēng)機、集電線路、升壓站接地體及其它接地線的物理長度應(yīng)避免λ/4,最好為λ/20。因為,當(dāng)其長度接近λ/4時,根據(jù)傳輸線理論可知,這時相當(dāng)于開路,有很強的天線效應(yīng)而起不到接地作用。
1)風(fēng)機雷擊電磁場強度梯度分布的計算高度為風(fēng)機避雷針高度以下的空間。
2)雷擊點風(fēng)機電流產(chǎn)生的磁場將以雷擊點為圓心平行于地面向外傳播,其強度梯度分布為空間水平梯度。
3)引起風(fēng)機線路和電子器件過電壓的電磁脈沖有害分量是d B/d t,只與λ/4的磁場變化陡度有關(guān)。不需要考慮電場的影響。與GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》要求[19]一致。
4)合理選擇雷電流的幅值并應(yīng)用畢奧-薩伐爾定理計算,可方便得到風(fēng)機雷擊磁場強度空間水平梯度分布。本研究以雷電流30 kA計算,得出距雷擊點風(fēng)機100 m處的磁場強度為0.6 Gs,因此,距雷擊點風(fēng)機100 m外的風(fēng)機系統(tǒng)(不包括光纖通信系統(tǒng))不受雷擊電磁場損害。
本研究采用國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)負(fù)雷擊平均電流峰值的全球分布IZ=30 kA進(jìn)行計算,也可根據(jù)當(dāng)?shù)氐拈W電定位資料所確定的平均雷電流峰值取值。例如中國科學(xué)院空間中心ADTD雷電監(jiān)測定位網(wǎng)2005年對各地的監(jiān)測結(jié)果,54 431 206次負(fù)回?fù)魪姸戎饕性?0~50 kA,最高慨率值為15 kA[20]。
區(qū)域防雷設(shè)計保護(hù)對象不是一個單體而是一個區(qū)域,雷電在一個特定的區(qū)域有相對穩(wěn)定的路徑,利用風(fēng)機機艙上的避雷針在上風(fēng)向攔截雷電,可實現(xiàn)下風(fēng)向一定距離內(nèi)不發(fā)生直接雷擊。因此,風(fēng)電場防護(hù)重點之一是預(yù)防雷擊電磁脈沖的損害。雷擊電磁場強度梯度分布用于對接閃點風(fēng)機的確定和對其周邊風(fēng)機電磁場空間強度的分析,有針對性的確定屏蔽、搭接、電涌吸收等技術(shù)措施,實現(xiàn)最大性價比。
本研究采用風(fēng)機安裝傳統(tǒng)的避雷針攔截雷電進(jìn)行分析,實際上傳統(tǒng)避雷針對雷擊的攔截作用有限。我國已發(fā)明了能預(yù)防直接雷擊和側(cè)面雷擊,減小雷擊點電流的全方位雷電攔截器[21]、多脈沖電涌保護(hù)器[22]和電磁脈沖高能吸收器等。2020年,廣東電白熱水風(fēng)電場已采用區(qū)域防雷設(shè)計方法,通過計算風(fēng)電場的電磁場強度梯度分布選擇了雷電攔截點,把風(fēng)機機艙上的避雷針更換成全方位雷電攔截器,與現(xiàn)有風(fēng)機葉片接閃并聯(lián)運行;在機艙配電柜和塔基配電柜安裝了多脈沖電涌保護(hù)器。經(jīng)過近兩年雷雨季節(jié)的考驗,因雷擊導(dǎo)致風(fēng)機故障的現(xiàn)象未再發(fā)生[23]。