探討多風(fēng)機風(fēng)電場的防雷布置與雷電屏蔽

山西龍源新能源有限公司 張彩宏

風(fēng)電是一種可以再生的清潔能源，國內(nèi)外對其重視程度越來越高，我國將風(fēng)力發(fā)電作為發(fā)展新能源的重點。但是風(fēng)電機組的機身高度以及裝機容量最近幾年持續(xù)加大，從而使得風(fēng)電機組受到雷擊的幾率上升。對于風(fēng)電發(fā)展來講，其因雷擊原因造成的經(jīng)濟損失很大程度地限制其發(fā)展。所以，為將雷電災(zāi)害的危害進行降低，需要找到一種防雷優(yōu)化以及兼顧風(fēng)機發(fā)電效益的方法，對風(fēng)機容易受到雷擊的環(huán)境以及影響風(fēng)電場的防雷布置方式進行分析，有著非常重要的意義。

最近幾年，雷電災(zāi)害破壞風(fēng)電機組的情況是越來越嚴(yán)重，為了使得雷擊風(fēng)電場的幾率進行降低，提出一種新型風(fēng)機模型，從雷電先導(dǎo)出發(fā)并考慮葉片帶電粒子的影響，以此來對擊距范圍進行計算。結(jié)合傳統(tǒng)電氣模型，來對多風(fēng)機之間的關(guān)鍵以及屏蔽雷電的依據(jù)進行判斷。根據(jù)這種方法來對風(fēng)機間的屏蔽距離進行研究，并分析環(huán)境因素影響風(fēng)電場屏蔽雷電的情況，結(jié)果說明風(fēng)機間的屏蔽距離會受到環(huán)境因素的影響，比如空氣密度越大、海拔越低，其屏蔽距離就會隨之變大。

1 雷電屏蔽的幾何模型

1.1 屏蔽原理

對于雷電先導(dǎo)，根據(jù)電氣幾何法，其擊穿物體的距離進行放電時，把雷電參數(shù)與物體結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起，這樣物體就能夠得到雷電流幅值不同的暴露區(qū)域，以此來計算物體受到雷電繞擊的情況[1]。其中，對于物體引雷的能力就是擊穿的距離，其表示的是雷云先導(dǎo)放電頭部到被擊物體的距離。

本篇文章主要研究兩風(fēng)機間的屏蔽，并對屏蔽間距進行分析，如下圖1所示，彩色的圓為葉尖接閃器在一定雷電流，旋轉(zhuǎn)角度不同的情況下的擊距圓，圓心在葉尖旋轉(zhuǎn)畫出的圓上，葉尖接閃器的擊穿距離就是半徑Rp，兩風(fēng)機間的距離用D 表示，Lf表示與風(fēng)機在一定角度的水平屏蔽距離，由此可以得到：Lf=Rcosθ+Rp（1）。式中，風(fēng)機葉片長度用R 表示，其與水平方向夾角用θ表示。

圖1 多風(fēng)機屏蔽模型

假如風(fēng)機葉片是軸對稱的運行方式，下行先導(dǎo)的方向是豎直向下的，那么兩風(fēng)機的擊距圓在相交的時候，其會有一個重疊的距離，這個距離就是Ls，那么兩風(fēng)機受到雷擊的次數(shù)N 有下面公式（2）計算得出：N=(4Lf-Ls)n（2），式中風(fēng)機所處地方的等效雷擊密度用n 表示。如果其擊距圓沒有相交，那么其雷擊次數(shù)為：N0=4Lfn（3）。

通過公式（2）與公式（3）進行對比發(fā)現(xiàn)，N ＜N0這種情況一定有，即擊距圓一定會相交，從而使得兩者有互相屏蔽，以此對于雷擊次數(shù)兩者能夠有效減少，這對于風(fēng)電場的防雷有著重要的意義。當(dāng)兩風(fēng)機間的距離對公式D＜Dmax=2Rcosθ+2Rp（4）的要求滿足時，這兩者會有屏蔽雷電的效果。式中兩風(fēng)機最大的屏蔽距離用Dmax表示，該公式也是屏蔽雷電的判斷依據(jù)。

1.2 計算葉尖接閃器的擊距

根據(jù)屏蔽雷電的判斷依據(jù)可知，屏蔽雷電最大的距離和接閃器距離息息相關(guān)，為了對擊距范圍進行計算，需要先對風(fēng)機周圍電位分布情況通過模擬電荷法進行求取。通過對下行先導(dǎo)電荷分布進行模擬，其先導(dǎo)通道內(nèi)的電荷密度為：

其中，G(Z0)=1-Z0/H，H(Z0)=0.3α+0.7β，α=e-(Z0-10)/75，β=G(Z0)=1-Z0/H。在公式（5）中，某點到頭部之間的距離采取τ表示。雷云高度用H 表示，頭部高度用Z0表示，單位是m。IP表示第一次回?fù)魰r電流的大小，單位kA。

氣溶膠等大帶電粒子、小帶電粒子與中性顆粒公式如下：

KnN表示顆粒和帶電粒子相結(jié)合的系數(shù)，其值為2.9×10-6m3/s。粒子擴散率用d 表示，其值為1m2/s。μn-表示小的帶電粒子遷移率，其值為1.5×10-4m2/(s·V)。μN+表示大的顆粒遷移率，其值為1.5×10-6m2/(s·V)。對于泊松方程電場強度以及電場電勢均滿足▽E→=-▽2Φ=e(n++N+)/ε0（9），式中ε0表示空氣介電常數(shù)、其值為8.85×10-12F/m，元電荷的帶電量用e 表示。

大部分雷擊分為下行先導(dǎo)向下發(fā)展，上行先導(dǎo)起始，上下行先導(dǎo)連續(xù)。上行的發(fā)展見圖2，圖中背景電位用U1表示，畸變電位用U2表示，起始點和流注頭部之間的長度采用ls表示，上行先導(dǎo)長度用l 表示。

圖2 上行先導(dǎo)發(fā)展過程

當(dāng)發(fā)展到第i 步的時候，其頭部電位為：

在公式（10）中，x0表示程度系數(shù)，其值為0.75m，Estr代表的是流注區(qū)電場的強度，該強度的數(shù)值是400kV/m。E∞表代表的是先導(dǎo)穩(wěn)態(tài)，其值為3×104V/m。先導(dǎo)頭部新產(chǎn)生的電荷量由公式（11）表示。

先導(dǎo)所需電荷用qL表示，該電荷的數(shù)值為65μC/m，上行長度與公式（11）結(jié)合起來進行計算：l(i+1)=L(i)+ΔQ(i)qL（12），根據(jù)先導(dǎo)發(fā)展，架設(shè)在第n 步時上下行之間出現(xiàn)相遇而導(dǎo)致雷擊發(fā)生。這個時候接閃器的引雷范圍就是其流注發(fā)展和上行先導(dǎo)最遠距離，定義為接閃器擊距，通過公式Rp=l(n)+(Utip(n)-Ua(n))/Estr（13）進行計算。計算Rp的流程見圖3。

圖3 計算Rp 的流程

2 兩風(fēng)機最大屏蔽距離受到環(huán)境因素的影響

由圖1能夠知道，風(fēng)機水平屏蔽距離和葉片角度息息相關(guān)，對于最大屏蔽距離受到環(huán)境的影響進行分析，為了防止出現(xiàn)0與90°這兩種情況，分析時取旋轉(zhuǎn)角度為45°，以此來對誤差進行降低。1.5MW 風(fēng)機的塔筒高和半徑分別是70m 與2.5m，葉片長與內(nèi)引下線半徑分別是40m 與0.01m，雷電流幅值為60kA。

2.1 最大屏蔽距離和濕度、溫度及壓強的關(guān)系

因為流注區(qū)電場強度與環(huán)境因素有關(guān)，其關(guān)系如公式（14）所示。式中，空氣壓強用P 表示、單位是atm，標(biāo)準(zhǔn)大氣下海平面壓強用P0表示、數(shù)值為1atm，溫度用T 表示、單位為K，標(biāo)準(zhǔn)大氣下海平面溫度用T0表示、數(shù)值為293K。空氣相對密度用δ 表示，絕對濕度用γ 表示、單位為g/m3。

2.2 最大屏蔽距離和海拔高度的關(guān)系

對于空氣相對密度和絕對濕度的測量，要數(shù)據(jù)精確需要用到特殊的儀器，所以公式（14）在實際應(yīng)用中不是很方便，因為海拔高度與P、T 以及γ存在一定關(guān)系，所以對兩風(fēng)機間最大屏蔽距離能夠根據(jù)當(dāng)?shù)睾０蝸斫朴嬎悖篜=P0e-Hl/8（15）、T=T0-6HL（16）、γ=γ0e-Hl/3（17），在上述公式中γ0表示絕對濕度、其值為11g/m3，海拔高度用HL表示、單位km。

將公式15～17代入到公式（14）當(dāng)中，能夠得出海拔與流注區(qū)場強Estr的關(guān)系：Estr=9.18HL2-102.16HL+523.69，通過計算在雷電流為60kA 時，最大屏蔽距離會隨著海拔的上升而出現(xiàn)降低的情況。

3 實驗驗證

對于最大屏蔽距離受到環(huán)境因素的影響規(guī)律進行驗證，在我國某地開展對縮比風(fēng)機模型放電試驗，來對不同濕度的情況下接閃器的擊距變化通過公式（4）能夠得到最大屏蔽距離與濕度的關(guān)系進行驗證。

試驗原理圖如圖4所示，葉片選取角度為30與90°。因條件限制，主要分析起始受到濕度的影響，本篇文章主要在溫度為30～32℃時選晴天與陰天進行擊穿試驗，晴天絕對濕度為18g/m3，陰天為25g/m3。

圖4 實驗原理圖

對30°與90°葉片角度進行擊穿試驗，總共進行二十次，每次濕度條件都不同，并通過曝光來對擊穿路徑進行記錄，以此來保證產(chǎn)生上行先導(dǎo)，并對擊穿時電壓進行記錄。通過試驗可知，擊穿電壓在絕對濕度為25g/m3時，要比絕對濕度在18g/m3時降低80kV 左右，這說明濕度越大、起始地越早，那么接閃器的擊距就越大，根據(jù)公式（4）中能夠看出，兩風(fēng)機最大屏蔽距離也會隨之增大，試驗結(jié)果和空氣濕度增加而增大最大屏蔽距離結(jié)論是相符的。

4 分析風(fēng)電場防雷的布置情況

本篇文章采取的風(fēng)機是1.5MW，對于風(fēng)電場的布置通過電氣幾何法進行分析。通過對葉片各角度的屏蔽距離和雷電流幅值，對風(fēng)機間距進行確定。選擇海拔H=0、常壓與常溫分別是P=1atm、T=298K，根據(jù)公式（1）來計算Lf在不同角度下的幅值關(guān)系。如兩風(fēng)機間距為4R、雷電流小于26kA，那么兩風(fēng)機間不能屏蔽，在26～40kA 間兩風(fēng)機某些葉片有屏蔽效果存在。在40kA 以上的時候，那么兩風(fēng)機葉片旋轉(zhuǎn)角度在0～90°之間存在屏蔽效果。

還有對盛行風(fēng)向進行考慮，因為風(fēng)機葉片長時間與盛行風(fēng)向的方向是垂直的，所以對于垂直盛行風(fēng)向的風(fēng)機雷電屏蔽要進行保證，因其對防雷的貢獻是非常大的[2]。根據(jù)相關(guān)的研究表明[3]，建議垂直盛行風(fēng)向距離最好不要超過10R。對于兩風(fēng)機受到氣流的影響也要進行考慮，所以風(fēng)機最好的距離是在盛行風(fēng)向上4R～6R 之間，這個時候?qū)τ诶纂姺翟?6～60kA 以上都有屏蔽作用，這對于傳統(tǒng)風(fēng)機的不足能夠很好的進行補充。

盛行風(fēng)向上葉片所處的時間相對來講比較短，哪怕是對風(fēng)機的間距在盛行風(fēng)向上進行增加，對于整個防雷布置來講也不會有明顯的影響[4]。所以在盛行風(fēng)向上對風(fēng)電場的間距進行確定時，首先對于后排風(fēng)機不能受到前排風(fēng)機尾流的影響進行保證，要盡量保障風(fēng)電場效益。所以，其間距可以大于盛行風(fēng)向的最大間距，簡單來講就是LP 要大于6R。

綜上，本文通過電氣幾何法來對多風(fēng)機雷電屏蔽進行分析，電氣幾何模型根據(jù)雷電上行先導(dǎo)，對背景電位畸變受到葉片周圍粒子影響進行考慮，來對接閃器雷擊距離進行計算，對于能夠雷電屏蔽的判斷依據(jù)公式提出，兩風(fēng)機之間的距離滿足了D 小于最大屏蔽距離時，那么兩風(fēng)機間有雷電屏蔽效果存在。

對屏蔽最大距離的環(huán)境影響因素進行探討，包括海拔、濕度、壓強及溫度。通過分析可看出，如果海拔較高、濕度較大、溫度較低的地方，對于兩風(fēng)機要想互相屏蔽，就需對兩風(fēng)機之間的間距盡量的進行減少，以此才能達到屏蔽要求。本文選取的風(fēng)機為1.5MW，對風(fēng)電場布置間距通過防雷的角度以及擊距包絡(luò)弧水平最大距離進行分析，布置間距建議與盛行風(fēng)向垂直間距在4R～6R 之間，與傳統(tǒng)方法對比，其對間距范圍的確定能夠進一步的減小。