風(fēng)機(jī)葉片引雷效果評(píng)估及防雷間距研究

鄧麗潔，李智標(biāo)，張娟，孫磊

（珠海市公共氣象服務(wù)中心，廣東珠海 519000）

風(fēng)機(jī)受到雷擊給風(fēng)機(jī)各部件帶來(lái)?yè)p壞，尤其是在特殊地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)機(jī)更容易受到雷擊。隨著風(fēng)力發(fā)電的迅猛發(fā)展，風(fēng)機(jī)受雷擊的影響造成的損失日益嚴(yán)重。在風(fēng)電場(chǎng)中，風(fēng)機(jī)的防雷裝置主要包含葉片接閃器和引下線兩部分［1］。在風(fēng)機(jī)受到雷擊時(shí)，葉片接閃器吸引雷電后，由引下線將雷電引入大地，降低雷擊的破壞作用。為維護(hù)風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行，保障風(fēng)電場(chǎng)的安全生產(chǎn)，需要對(duì)風(fēng)機(jī)葉片引雷效果進(jìn)行有效評(píng)估，并對(duì)風(fēng)機(jī)組間距進(jìn)行計(jì)算，為此本研究以雷電先導(dǎo)理論為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，期望能夠?yàn)轱L(fēng)機(jī)和風(fēng)電場(chǎng)降低雷擊、制定防雷措施提供參考。

1 雷電先導(dǎo)理論概述

1.1 雷擊風(fēng)機(jī)葉片上行先導(dǎo)起始過(guò)程

雷擊風(fēng)機(jī)葉片上行先導(dǎo)起始的過(guò)程：隨著雷電下行先導(dǎo)至地面，葉片接閃器周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增加至一定值時(shí)形成電暈放電和初始流注；在葉片接閃器區(qū)域內(nèi)電荷達(dá)到一定值后，形成不穩(wěn)定的上行先導(dǎo)；當(dāng)頭部流注區(qū)的能量足夠大時(shí)，先導(dǎo)繼續(xù)發(fā)展至穩(wěn)定狀態(tài)，能夠使先導(dǎo)持續(xù)進(jìn)行上行先導(dǎo)起始［2］。風(fēng)機(jī)雷電先導(dǎo)過(guò)程如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)雷電先導(dǎo)過(guò)程示意圖

1.2 雷擊靜止葉片上行先導(dǎo)起始及不同大氣條件的影響

在發(fā)電風(fēng)機(jī)停運(yùn)時(shí)，葉片和葉片接閃器處于靜止?fàn)顟B(tài)。雷擊靜止葉片時(shí)由于下行先導(dǎo)生成的先導(dǎo)電荷，在風(fēng)機(jī)葉片端部周邊形成背景電勢(shì)［3］。隨著下行先導(dǎo)頂部和地面距離的接近，風(fēng)機(jī)葉片端部周邊的背景電勢(shì)提高，流注長(zhǎng)度增加。流注長(zhǎng)度超過(guò)臨界值以后，風(fēng)機(jī)葉片端部上行先導(dǎo)開始變得穩(wěn)定而且連續(xù)。

葉片端部初始注流區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度和臨界長(zhǎng)度受到空氣的壓強(qiáng)、溫度和濕度等條件的顯著影響。在雷電發(fā)生條件不變的情況下，臨界電勢(shì)由于大氣條件的改變而改變，在發(fā)生雷電的情況和大氣條件相同時(shí)，臨界電勢(shì)不發(fā)生改變［4］。壓強(qiáng)和溫度發(fā)生改變，空氣密度改變，初始注流區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)和臨界長(zhǎng)度改變。濕度發(fā)生改變，大氣中負(fù)電氣體含量和葉片端部電離程度改變，初始注流區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)和臨界長(zhǎng)度改變。壓強(qiáng)增大、溫度降低或者濕度增加，葉片端部注流區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)變大，臨界長(zhǎng)度變短。

1.3 雷擊運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)葉片上行先導(dǎo)起始及影響因素

風(fēng)機(jī)在工作時(shí)葉片是旋轉(zhuǎn)的，其轉(zhuǎn)速因工作環(huán)境、風(fēng)機(jī)容量及制造廠家不同而存在差異。當(dāng)雷擊運(yùn)轉(zhuǎn)葉片時(shí)接閃時(shí)間為120～180μs時(shí)，風(fēng)機(jī)葉片端部移動(dòng)的距離只有幾毫米，在這段時(shí)間可以將葉片和葉片接閃器看作靜止?fàn)顟B(tài)，葉片角度也沒有改變。隨著下行先導(dǎo)的逐步發(fā)展，在風(fēng)機(jī)葉片端部周邊形成背景電勢(shì)。與靜止風(fēng)機(jī)葉片相比，旋轉(zhuǎn)時(shí)正離子均勻分布在其運(yùn)動(dòng)圓弧上，使正離子濃度降低，抑制了葉片上行先導(dǎo)的開始和隨后的發(fā)展。隨著風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)速增大，葉片上行先導(dǎo)開始的時(shí)間比轉(zhuǎn)速低時(shí)慢，而且其發(fā)展也足夠充分。

在相同的雷電發(fā)生條件下，大氣條件和風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)速?zèng)Q定著旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)葉片的上行先導(dǎo)開始的背景電勢(shì)。在發(fā)生雷電的情況和風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)速相同、大氣條件改變時(shí)，臨界電勢(shì)發(fā)生變化，葉片上行先導(dǎo)開始的背景電勢(shì)變化［5］。在發(fā)生雷電的情況和大氣條件相同時(shí)，旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化，葉片上行先導(dǎo)開始的背景電勢(shì)變化。

2 發(fā)電風(fēng)機(jī)葉片引雷效果評(píng)估

2.1 仿真模型參數(shù)及假設(shè)條件

以雷電先導(dǎo)理論為基礎(chǔ)，使用有限元仿真軟件COMSOL建模，進(jìn)行風(fēng)機(jī)葉片引雷效果評(píng)估。設(shè)置模型參數(shù)空間范圍為700 m×700 m，風(fēng)機(jī)軸線橫坐標(biāo)為350 m，塔筒高度為110 m，塔筒半徑為2 m，葉片長(zhǎng)度50 m，風(fēng)機(jī)塔筒材料為鋼筋混凝土，葉片材料為玻璃纖維增強(qiáng)樹脂，接閃器材料為銅，接閃器位于葉片頂部，并且使用內(nèi)部引下線和大地連接。

在假設(shè)發(fā)生雷電的情況下，大氣條件、葉片轉(zhuǎn)速和上行先導(dǎo)起始后發(fā)展的平均速度保持不變；在雷擊的過(guò)程中，初始注流區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度、臨界長(zhǎng)度和背景電勢(shì)以及旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)葉片上行先導(dǎo)開始時(shí)的背景電勢(shì)沒有變化。分析在不同葉片角度、不同接閃器半徑、風(fēng)機(jī)組情況下，風(fēng)機(jī)葉片受雷擊后的背景電勢(shì)變化，在葉片靜止和旋轉(zhuǎn)兩種情況進(jìn)行引雷效果評(píng)估。

2.2 不同葉片角度的引雷能力評(píng)估

葉片角度是指葉片與風(fēng)機(jī)軸線的夾角，下行先導(dǎo)頭部高度為600 m，選擇0°、30°和60°共3種葉片角度進(jìn)行試驗(yàn)研究，如圖2所示。

圖2 三種風(fēng)機(jī)葉片角度

在雷擊靜止、旋轉(zhuǎn)葉片和3種風(fēng)機(jī)葉片角度的下行先導(dǎo)高度相同的情況下，葉片角度0°的背景電勢(shì)最大。葉片角度0°的上行先導(dǎo)最先發(fā)生，葉片角度30°和60°隨后發(fā)生，其葉片引雷能力逐漸減弱。不同葉片角度的背景電勢(shì)分布試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同葉片角度的背景電勢(shì)分布 MV

葉片角度發(fā)生改變，靜止和旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)葉片具有一致的引雷能力變化，隨著葉片角度的增加，其引雷能力變?nèi)?。原因是葉片端部電暈還沒有起始，而且下行先導(dǎo)高度相同和葉片角度不同的情況下，葉片端部和下行先導(dǎo)之間因?yàn)榫嚯x變化而造成電場(chǎng)分布變化，對(duì)葉片上行先導(dǎo)的開始和進(jìn)一步的發(fā)展帶來(lái)影響［6］。

2.3 不同接閃器半徑的引雷能力評(píng)估

下行先導(dǎo)頭部高度為600 m，使用半徑20、40和80 mm圓形銅盤3種接閃器進(jìn)行風(fēng)機(jī)葉片引雷能力評(píng)估。在下行先導(dǎo)端部高度相同的情況下，接閃器半徑越小，背景電勢(shì)越大。葉片上行先導(dǎo)開始時(shí)，接閃器的半徑越小，下行先導(dǎo)的高度越大，最先開始上行先導(dǎo)開始的越早，引雷能力越強(qiáng)。接閃器的半徑越大，下行先導(dǎo)的高度越小，上行先導(dǎo)開始的越晚，引雷能力越弱［7］。不同接閃器半徑的背景電勢(shì)分布的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同接閃器半徑的背景電勢(shì)分布 MV

發(fā)生這種情況的主要原因是葉片端部的電暈還沒有起始，下行先導(dǎo)端部高度一樣時(shí)，其與不同半徑的接閃器的葉片端部之間的電場(chǎng)不是均勻分布，氣隙電場(chǎng)的分布不通過(guò)，使得背景電勢(shì)的分布也不相同，接閃器周圍電離的程度也有差異，影響著葉片上行先導(dǎo)的開始和隨后的發(fā)展［8］。

2.4 風(fēng)機(jī)組的引雷能力評(píng)估

為了進(jìn)一步研究風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際的風(fēng)機(jī)葉片引雷效果，需要對(duì)風(fēng)機(jī)組情況下進(jìn)行葉片引雷能力評(píng)估。以雙風(fēng)機(jī)為例，在葉片角度0°、葉片接閃器半徑20 mm、下行先導(dǎo)頭部高度600 m條件下，以單風(fēng)機(jī)、雙風(fēng)機(jī)間距150 m和雙風(fēng)機(jī)間距200 m等3種狀態(tài)進(jìn)行背景電勢(shì)分布試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同間距雙風(fēng)機(jī)的背景電勢(shì)分布 MV

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，風(fēng)機(jī)下行先導(dǎo)高度相同情況下，背景電勢(shì)的值，1＃風(fēng)機(jī)要小于單風(fēng)機(jī)，隨著風(fēng)機(jī)間距變小，背景電勢(shì)降低。雙風(fēng)機(jī)之間相互屏蔽，使葉片端部和下行先導(dǎo)之間的電場(chǎng)發(fā)生變化，使風(fēng)機(jī)的背景電勢(shì)分布發(fā)生變化，給葉片上行先導(dǎo)的開始和其后的發(fā)展帶來(lái)變化。

3 風(fēng)機(jī)組防雷間距計(jì)算

3.1 風(fēng)機(jī)組防雷間距研究方案

基于雷電先導(dǎo)理論開展模擬試驗(yàn)，進(jìn)行風(fēng)機(jī)組防雷間距研究，從而為風(fēng)機(jī)、風(fēng)電場(chǎng)的防雷能力提供參考。由于靜止葉片的引雷能力要優(yōu)于旋轉(zhuǎn)葉片，因此采用靜止葉片進(jìn)行模擬試驗(yàn)。在試驗(yàn)中選取的葉片角度分別為0°、30°和60°，試驗(yàn)由單風(fēng)機(jī)和雙風(fēng)機(jī)模擬試驗(yàn)兩部分組成。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，研究在不同的葉片角度和風(fēng)機(jī)間距下風(fēng)機(jī)組的防雷間距的確定。

將1＃風(fēng)機(jī)模型放置在高壓電極的正下方，葉片角度0°時(shí)風(fēng)機(jī)的接閃器和高壓電極之間的氣隙距離為1 m；保持高壓電極位置不變，2＃風(fēng)機(jī)模型位于相鄰機(jī)組，并且其位置能夠根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行調(diào)整。葉片接閃器尺寸選用半徑為0.5 mm，并且通過(guò)引下線進(jìn)行接地。使用1.2／50 μs的不同極性電壓進(jìn)行試驗(yàn)，風(fēng)機(jī)間距選用1.5、2、2.5和3L共4種距離（L＝0.7 m）。

3.2 風(fēng)機(jī)組防雷間距試驗(yàn)方法

對(duì)于單風(fēng)機(jī)采用升降法進(jìn)行模擬試驗(yàn)，3種角度分別進(jìn)行有效試驗(yàn)20次，每隔1 min試驗(yàn)一次，得到0°、30°和60°葉片角度時(shí)正負(fù)極性氣隙的擊穿電壓。在相同的大氣條件下，3種角度分別進(jìn)行有效試驗(yàn)20次，每隔1 min試驗(yàn)一次，得到0°、30°和60°葉片角度時(shí)雙風(fēng)機(jī)模擬試驗(yàn)，對(duì)雷擊次數(shù)進(jìn)行記錄，從而進(jìn)行雷擊風(fēng)機(jī)概率計(jì)算。

3.3 風(fēng)機(jī)組防雷間距試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

1）單風(fēng)機(jī)雷擊模擬試驗(yàn)。

對(duì)單風(fēng)機(jī)雷擊模擬試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。葉片角度不同時(shí)，正負(fù)極性氣隙的擊穿電壓明顯不同，隨著葉片角度的增加而升高，原因是葉片角度發(fā)生變化，而高壓電極的位置沒有變化，使得高壓電極和葉片接閃器之間的氣隙長(zhǎng)度發(fā)生變化，從而使擊穿電壓發(fā)生變化。在葉片角度相同時(shí)，擊穿電壓的數(shù)值，正極性小于負(fù)極性，正極性雷電更加容易對(duì)風(fēng)機(jī)造成雷擊［9］。

表4 單風(fēng)機(jī)不同葉片角度下正負(fù)極性氣隙的擊穿電壓 kV

2）葉片角度0°的雙風(fēng)機(jī)雷擊模擬試驗(yàn)。

正負(fù)極性雷電下葉片角度0°風(fēng)機(jī)的雷擊次數(shù)與雷擊概率如表5所示。由表5的數(shù)據(jù)可以看出，不同極性雷電下，與單風(fēng)機(jī)相比，雙風(fēng)機(jī)的雷擊次數(shù)和雷擊概率降低，主要原因是雙風(fēng)機(jī)之間存在相互屏蔽，使接閃器和電極之間電場(chǎng)的分布不均勻，降低了雷擊次數(shù)和雷擊概率。兩臺(tái)風(fēng)機(jī)距離增加，雷擊次數(shù)和雷擊概率增大，原因是隨著距離增加，風(fēng)機(jī)之間的相互屏蔽減小，接閃器和電極之間電場(chǎng)的分布越均勻［10］。在風(fēng)機(jī)之間距離相同情況下，與正極性雷擊相比，負(fù)極性雷擊的次數(shù)和概率要大，原因是正極性雷擊時(shí)，接閃器為負(fù)極性電極，在屏蔽同時(shí)極性效應(yīng)抑制接閃器附近放電向高壓電極發(fā)展。使用有限元仿真軟件COMSOL建立風(fēng)機(jī)雷擊模型，以負(fù)極性雷電為例進(jìn)行雙風(fēng)機(jī)屏蔽作用和葉片接閃器區(qū)域電場(chǎng)分布分析，對(duì)葉片角度0°的1＃風(fēng)機(jī)葉片接閃器附近電場(chǎng)分布情況如表6所示。

表5 正負(fù)極性雷電下風(fēng)機(jī)葉片角度0°的雷擊次數(shù)和雷擊概率

表6 葉片角度0°的1＃風(fēng)機(jī)葉片接閃器附近電場(chǎng)對(duì)比 MV·m－1

單風(fēng)機(jī)時(shí)，豎直方向的接閃器周圍電場(chǎng)較強(qiáng)，雙風(fēng)機(jī)時(shí)，由于屏蔽使得接閃器周圍電場(chǎng)減弱，其電離程度減小，雷擊的次數(shù)和概率降低。葉片角度0°減少風(fēng)機(jī)間距能夠提升風(fēng)機(jī)組的雷電防護(hù)能力，結(jié)合表5得到葉片角度0°的風(fēng)機(jī)防雷間距為1.5～2.5L。

3）葉片角度30°的雙風(fēng)機(jī)雷擊模擬試驗(yàn)。

正負(fù)極性雷電下葉片角度30°的風(fēng)機(jī)雷擊次數(shù)與雷擊概率如表7所示。通過(guò)表7數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果可知，由于兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的相互屏蔽，在正負(fù)極性雷電下，與單臺(tái)風(fēng)機(jī)相比，雙風(fēng)機(jī)雷擊次數(shù)和雷擊概率明顯降低，隨著兩臺(tái)風(fēng)機(jī)距離的增加，風(fēng)機(jī)之間的屏蔽被減弱，雷擊次數(shù)和累計(jì)概率增大。

表7 正負(fù)極性雷電下風(fēng)機(jī)葉片角度30°的雷擊次數(shù)和雷擊概率

表5和表7的雷擊次數(shù)和雷擊概率對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在兩臺(tái)風(fēng)機(jī)之間的距離分別為1.5、2、2.5、3L，葉片角度0°時(shí)正負(fù)極性風(fēng)機(jī)雷擊次數(shù)和雷擊概率小于葉片角度30°時(shí)。兩臺(tái)風(fēng)機(jī)之間的距離相同時(shí)，葉片角度0°的屏蔽作用要優(yōu)于葉片角度30°。葉片角度30°時(shí)，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的防雷間距為1.5～2.5L。

4）葉片角度60°的雙風(fēng)機(jī)雷擊模擬試驗(yàn)。

正負(fù)極性雷電下葉片角度60°風(fēng)機(jī)的雷擊次數(shù)與雷擊概率如表8所示。通過(guò)表8數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果可知，由于兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的相互屏蔽，在正負(fù)極性雷電下，與單臺(tái)風(fēng)機(jī)相比，雙風(fēng)機(jī)雷擊次數(shù)和雷擊概率明顯降低，隨著兩臺(tái)風(fēng)機(jī)之間距離增加，風(fēng)機(jī)之間的屏蔽被減弱，雷擊次數(shù)和雷擊概率增大。

表8 正負(fù)極性雷電下風(fēng)機(jī)葉片角度60°的雷擊次數(shù)和概率

對(duì)表5、表7和表8的雷擊次數(shù)和雷擊概率對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)之間距離為1.5、2.5、3L，葉片角度60°時(shí)，負(fù)極性雷電下風(fēng)機(jī)雷擊次數(shù)和雷擊概率最??；兩臺(tái)風(fēng)機(jī)之間距離為2L，葉片角度0°時(shí)，負(fù)極性雷電下風(fēng)機(jī)雷擊次數(shù)和雷擊概率最?。粌膳_(tái)風(fēng)機(jī)之間距離為1.5、2、2.5、3L，葉片角度60°時(shí)，正極性雷電下風(fēng)機(jī)雷擊次數(shù)和雷擊概率最小。葉片角度為0°和60°時(shí)，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)之間的相互屏蔽能力要強(qiáng)于葉片角度為30°；葉片角度60°時(shí)，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的防雷間距為1.5～3L。

最后對(duì)3種葉片角度下的風(fēng)機(jī)組防雷間距進(jìn)行整理得到風(fēng)機(jī)的優(yōu)化間距為1.5～2.5L。建議將風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)之間的橫向間距設(shè)置為1.5～2.5L，使風(fēng)電場(chǎng)的整體雷擊防護(hù)能力得到提升。

針對(duì)風(fēng)機(jī)和風(fēng)電場(chǎng)的雷電防護(hù)問題，本研究以雷電先導(dǎo)理論為基礎(chǔ)，對(duì)風(fēng)機(jī)雷電先導(dǎo)理論進(jìn)行概述，并對(duì)不同條件下的風(fēng)機(jī)葉片引雷效果進(jìn)行了有效評(píng)估，并進(jìn)行了風(fēng)機(jī)組的防雷間距計(jì)算模擬試驗(yàn)研究，與其他方法相比較，本研究所提出的發(fā)電風(fēng)機(jī)葉片引雷效果評(píng)估及風(fēng)機(jī)組防雷間距研究方法更加簡(jiǎn)便、實(shí)用，為風(fēng)機(jī)和風(fēng)電場(chǎng)降低雷擊、制定防雷措施提供了可借鑒的依據(jù)。