楊 波,杜福生,嚴(yán)永全

(玉溪市氣象局，云南 玉溪 653100)

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云南省元江縣羊岔街風(fēng)電場(chǎng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

楊 波,杜福生,嚴(yán)永全

(玉溪市氣象局，云南 玉溪 653100)

為準(zhǔn)確把握元江縣羊岔街風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目附近地域雷電活動(dòng)規(guī)律，科學(xué)的指導(dǎo)防雷設(shè)計(jì)、施工，以減少或避免建(構(gòu))筑物遭受雷擊而引起雷電災(zāi)害，有必要進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。本文通過(guò)對(duì)地質(zhì)地形、雷電活動(dòng)等因素進(jìn)行分析，力圖通過(guò)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，尋找存在的主要雷擊風(fēng)險(xiǎn)，得出風(fēng)電場(chǎng)雷電災(zāi)害的特點(diǎn)及風(fēng)電場(chǎng)各組成部分的雷擊概率，為項(xiàng)目防雷設(shè)計(jì)提供參考。

元江縣羊岔街風(fēng)電場(chǎng)；雷電活動(dòng)；防雷設(shè)計(jì)

0 引言

雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[1-3]是根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目所在地雷電活動(dòng)時(shí)空分布特征及其災(zāi)害特征，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行分析，對(duì)雷電可能導(dǎo)致的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失程度與危害范圍等方面的綜合風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，從而為項(xiàng)目選址、功能分區(qū)布局、防雷類別(等級(jí))與防雷措施確定、雷災(zāi)事故應(yīng)急方案等提出建設(shè)性意見的一種評(píng)價(jià)方法。通過(guò)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可為評(píng)估對(duì)象提供雷電防護(hù)的科①學(xué)設(shè)計(jì)、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)控制、經(jīng)濟(jì)投資、應(yīng)急管理等方面服務(wù)，保證防雷工程安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是開展綜合防雷的必經(jīng)程序，也是實(shí)現(xiàn)科學(xué)防雷的必要條件，體現(xiàn)了預(yù)防為主，防治結(jié)合的理念。

1 風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目特點(diǎn)

1.1 地理位置概況

云南省元江縣羊岔街風(fēng)電場(chǎng)所處區(qū)域?yàn)榈湫透咴絽^(qū)地形，西北高、東南低，山脈為西南東北走向，屬南溫帶氣候，地理坐標(biāo)約為北緯23°32′20″～23°40′16″和東經(jīng)101°42′19″～101°52′26″，規(guī)劃場(chǎng)址由南北兩個(gè)片區(qū)構(gòu)成，規(guī)劃場(chǎng)址山脊總長(zhǎng)約35 km，布機(jī)區(qū)域海拔在1 890～2 400 m，場(chǎng)址區(qū)面積約為100 km2。區(qū)內(nèi)集電線路擬采用8回35 kv架空線路，設(shè)置110 kv的升壓站兩座。

1.2 土壤電阻率

在防雷裝置設(shè)計(jì)施工中，土壤電阻率是一個(gè)重要且關(guān)鍵的參數(shù)，它對(duì)雷擊選擇性會(huì)形成關(guān)鍵影響，該參數(shù)的準(zhǔn)確度直接關(guān)系到防雷裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中的科學(xué)設(shè)計(jì)，也可能極大的影響到建設(shè)單位投資費(fèi)用。根據(jù)玉溪市雷電中心實(shí)測(cè)，元江縣羊岔街風(fēng)電場(chǎng)所在地土壤電阻率分布較為均勻，土壤電阻率在900～3 200 Ω·m，屬于高土壤電阻率。采集時(shí)土壤較濕潤(rùn)(相對(duì)濕度89%)，取季節(jié)系數(shù)m=12，調(diào)整后的土壤電阻率為3 150 Ω·m。

1.3 設(shè)備設(shè)施及其分布

云南省元江縣羊岔街風(fēng)電場(chǎng)安裝82臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，工程裝機(jī)容量為200 mw，南片區(qū)和北片區(qū)分別為49臺(tái)與33臺(tái)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒高度為78 m，槳葉長(zhǎng)度49 m，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有效高度127 m，安裝地元江縣年雷暴日數(shù)60.9天。

南、北片區(qū)風(fēng)電場(chǎng)各設(shè)一座110kv升壓變電站，風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)的電能經(jīng)變電站升壓后送入外部電網(wǎng)。110 kv升壓變電站包括主變場(chǎng)、生產(chǎn)樓(含35 kv配電室)、110 kvGIS室，進(jìn)出線架構(gòu)、電容器場(chǎng)和事故油池、避雷針等。

生產(chǎn)樓是整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行控制中心[3,7]，同時(shí)也是電場(chǎng)工作人員的辦公場(chǎng)所。生產(chǎn)樓內(nèi)主要設(shè)有中央控制室、繼電保護(hù)室、計(jì)算機(jī)室、直流盤室、蓄電池室、試驗(yàn)室。輔助生產(chǎn)樓是電場(chǎng)工作人員的生活、活動(dòng)場(chǎng)所；輔助生產(chǎn)樓內(nèi)主要設(shè)有會(huì)議室、宿舍、餐廳及健身房。輔助生產(chǎn)樓附近還布置有車庫(kù)、泵房、生活—消防水池等輔助設(shè)施。

2 雷電活動(dòng)規(guī)律

2.1 北片區(qū)所在區(qū)域雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的閃電活動(dòng)規(guī)律分析

2.1.1 北片區(qū)閃電位置分布

經(jīng)查閱云南省雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)資料，并將雷電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。從圖1 2012～2014年元江縣羊岔街風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目北片區(qū)5 km范圍內(nèi)閃電位置分布圖看出，2012～2014年元江縣羊岔街風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目北片區(qū)所在區(qū)域5 km范圍內(nèi)雷擊大地次數(shù)約為1 km內(nèi)33個(gè)、 3 km內(nèi)211個(gè)、 5 km內(nèi)516個(gè)閃電，經(jīng)過(guò)計(jì)算雷擊大地密度為2.19次/(km2·年)，雷電活動(dòng)較頻繁[6]。

說(shuō)明：“-”表示負(fù)閃電，“+”表示正閃電. Description: “-” negative lightning, “+” positive lightning 圖1 2012～2014年羊岔街風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目北片區(qū)5 km范圍內(nèi) 閃電位置分布圖(閃電定位監(jiān)測(cè))Fig.1 Lightning location distribution map (lightning location monitoring) within a radius of 5 kilometers of the north area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

2.1.2 北片區(qū)閃電強(qiáng)度、次數(shù)分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，從圖2、圖3中可以看出，2012～2014年中元江縣羊岔街風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目北片區(qū)5 km范圍內(nèi)共發(fā)生閃電516次，其中正閃電34次，負(fù)閃電482次，正負(fù)閃電比例為 1∶14。閃電強(qiáng)度最大出現(xiàn)在9月份，發(fā)生閃電最多次數(shù)在8月份，大部分雷電流幅值在40 kA以下。對(duì)于元江縣羊岔街風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目北片區(qū)防雷保護(hù)等級(jí)而言，從經(jīng)濟(jì)合理的角度考慮，選擇最大雷電流幅值為170 kA是可行的[6]。

圖2 2012～2014年羊岔街風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目北片區(qū)5 km范圍內(nèi) 閃電強(qiáng)度分布圖(閃電定位監(jiān)測(cè))Fig.2 Lightning intensity distribution map (lightning location monitoring) within a radius of 5 kilometers of the north area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

圖3 2012～2014年羊岔街風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目北片區(qū)5 km范圍內(nèi) 閃電最大強(qiáng)度、閃電次數(shù)統(tǒng)計(jì)圖(閃電定位監(jiān)測(cè))Fig.3 The maximum intensity of lightning and lightning frequency statistical chart (lightning location monitoring) within a radius of 5 kilometers of the north area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

2.1.3 北片區(qū)閃電活動(dòng)月分布

查閱云南省雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)資料，并將各月雷電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。從圖4中元江縣羊岔街風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目北片區(qū)5 km范圍內(nèi)閃電月分布圖可以看出，閃電主要出現(xiàn)在4～9月份，其中8月份出現(xiàn)的閃電為最多，8月份的閃電次數(shù)占所有閃電次數(shù)的比例為30%[6]。

圖4 2012～2014年羊岔街風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目北片區(qū) 5 km范圍內(nèi)閃電月分布圖Fig.4 Lightning monthly distribution map within a radius of 5 kilometers of the north area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

2.2 南片區(qū)所在區(qū)域雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的閃電活動(dòng)規(guī)律分析

2.2.1 南片區(qū)閃電密度分析

經(jīng)查閱云南省雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)資料，并將雷電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。從圖5 2012～2014年元江縣羊岔街風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目南片區(qū)5 km范圍內(nèi)閃電位置分布圖看出，2012～2014年中元江縣羊岔街風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目南片區(qū)所在區(qū)域5 km范圍內(nèi)雷擊大地次數(shù)約為1 km內(nèi)49個(gè)、 3 km內(nèi)335個(gè)、 5 km內(nèi)710個(gè)閃電，雷擊大地密度為3.01次/(km2·年)，雷電活動(dòng)較頻繁。

說(shuō)明：“-”表示負(fù)閃電，“+”表示正閃電。 Description: “-” negative lightning, “+” positive lightning 圖5 2012-2014年羊岔街風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目南片區(qū)5公里范圍內(nèi) 閃電位置分布圖(閃電定位監(jiān)測(cè))Fig.5 Lightning location distribution map (lightning location monitoring) within a radius of 5 kilometers of the south area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

2.2.1 南片區(qū)閃電強(qiáng)度、次數(shù)分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，從圖6、圖7中可以看出，2012-2014年元江縣羊岔街風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目南片區(qū)5公里范圍內(nèi)共發(fā)生閃電710次，其中正閃電24次，負(fù)閃電686次，正負(fù)閃電比例為 1∶29。閃電強(qiáng)度最大出現(xiàn)在8月份，發(fā)生閃電最多次數(shù)在6月份，大部分雷電流幅值在40kA以下。對(duì)于中廣核玉溪元江羊岔街風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目南片區(qū)防雷保護(hù)等級(jí)而言，從經(jīng)濟(jì)合理的角度考慮，選擇最大雷電流幅值為220KA是可行的[6]。

圖6 2012～2014年羊岔街風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目南片區(qū)5 km范圍 內(nèi)閃電強(qiáng)度分布圖(閃電定位監(jiān)測(cè))Fig.6 Lightning intensity distribution map (lightning location monitoring) within a radius of 5 kilometers of the south area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

圖7 2012～2014年羊岔街風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目南片區(qū)5 km范圍 內(nèi)閃電最大強(qiáng)度、閃電次數(shù)統(tǒng)計(jì)圖(閃電定位監(jiān)測(cè))Fig.7 The maximum intensity of lightning and lightning frequency statistical chart (lightning location monitoring) within a radius of 5 kilometers of the south area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

2.2.2 南片區(qū)閃電活動(dòng)月分布

查閱云南省雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)資料，并將各月雷電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。從圖8中中廣核玉溪元江羊岔街風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目南片區(qū)5 km范圍內(nèi)閃電月分布圖可以看出，閃電主要出現(xiàn)在4～9月份，其中6月份出現(xiàn)的閃電為最多，6月份的閃電次數(shù)占所有閃電次數(shù)的比例為34%。

圖8 2012～2014年羊岔街風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目南片區(qū) 5 km范圍內(nèi)閃電月分布圖

Fig.8 Lightning monthly distribution map within a radius of 5 kilometers of the south area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

綜合以上云南省雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，羊岔街風(fēng)電場(chǎng)北片區(qū)雷擊大地密度為2.19次/(km2·年)，羊岔街風(fēng)電場(chǎng)南片區(qū)雷擊大地密度為3.01次/(km2·年)，對(duì)于元江縣羊岔街風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防雷保護(hù)等級(jí)而言，為客觀地反映所評(píng)估建(構(gòu))筑物的雷擊風(fēng)險(xiǎn)程度，應(yīng)采用用防雷技術(shù)規(guī)范計(jì)算公式按雷暴日計(jì)算出的雷擊大地密度作為評(píng)估依據(jù)，使評(píng)估結(jié)果更加客觀、科學(xué)、準(zhǔn)確。

3 風(fēng)電機(jī)組雷擊損害特點(diǎn)及評(píng)估

3.1 風(fēng)電機(jī)組雷擊損害特點(diǎn)

山區(qū)的云體在風(fēng)力的作用下往往發(fā)生偏斜，使正電荷接近山頂，因此，山區(qū)正極性的云地閃電較多；同時(shí)，雷云沿山腰飄動(dòng)，也增加了發(fā)電機(jī)組遭受雷擊的機(jī)率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有效高度127 m，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，易受到直接雷擊，沿輸電網(wǎng)絡(luò)侵入的雷電波也會(huì)給風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。直擊雷會(huì)造成風(fēng)力葉片破裂，電機(jī)絕緣擊穿、控制元件燒壞等事故[5]。

3.2 風(fēng)電機(jī)組雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.2.1 計(jì)算每年風(fēng)力發(fā)電機(jī)組閃擊次數(shù)

據(jù)玉溪市元江縣35年的雷暴資料，元江縣年平均雷暴日有60.9 d.

Td=60.9(d)

每km2每年平均地閃密度

Ng≈0.1Td=0.1×60.9=6.09次/(km2· a)

據(jù)工程設(shè)計(jì)資料，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒高度78 m，槳葉長(zhǎng)度49 m，則風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有效高度

h=127(m)

孤立建筑物遭受直擊雷時(shí)的等效雷擊截收面積

Ad =9πh2=9×π×1272≈455806(m2)

因風(fēng)力發(fā)電機(jī)組位于山上，環(huán)境因子

Cd=2

建筑物遭受直擊雷的年平均數(shù)

Nd=Ng×Ad×Cd×10-6=6.09×455806×2×10-6≈5.55(次/a)

3.2.2 計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷擊損害概率

無(wú)LPS防護(hù)，PB=1，無(wú)戶外人員活動(dòng)RA=0。

雷擊造成的風(fēng)險(xiǎn)分量計(jì)算：

根據(jù)GB/T 21714.2—2008，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身(不含控制系統(tǒng))雷擊損害時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式為：

RB=Nd×PB×LB

LB=HZ×rP×rf×Lf

根據(jù)GB/T 21714.2—2008之附錄c的規(guī)定：

HZ——特殊傷害，這里為無(wú)，因此等于1；

rP——火災(zāi)防護(hù)，這里為無(wú)，因此等于1；

rf——火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，這里為一般風(fēng)險(xiǎn)，等于10-2；

Lf——風(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身雷擊損害時(shí)的損失，這里為有，等于10-1；

故雷擊風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的損失

LB=HZ×rP×rf×Lf=1×1×10-2×10-1=10-3

無(wú)LPS防護(hù)，雷擊致實(shí)體損害的概率PB=1，雷擊風(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身的損害風(fēng)險(xiǎn)

RB=Nd×PB×LB =5.55×1×10-3=5.55×10-3

與RT =10-3比較，RB>RT，需采取防護(hù)措施[1，5，7，8]。

4 評(píng)估結(jié)論

從以上分析計(jì)算可看出，雷擊風(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身的損害風(fēng)險(xiǎn)RB大于風(fēng)險(xiǎn)容許值RT，應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范采取風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雷電防護(hù)措施[7]：

(1)風(fēng)電機(jī)組、主變壓器等的雷災(zāi)損害概率值均超過(guò)IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的可承受值[9,10]，說(shuō)明項(xiàng)目設(shè)備設(shè)施易受雷擊而損壞，其中，電源、信號(hào)線路的雷擊是主要災(zāi)害的主要來(lái)源。防雷設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)進(jìn)出建筑的電源、信號(hào)線路，需要采取埋地敷設(shè)方式布線，同時(shí)根據(jù)弱電項(xiàng)目防護(hù)等級(jí)在線路安裝多級(jí)SPD進(jìn)行保護(hù)。

(2)在距建筑50 m范圍產(chǎn)生鄰近雷擊時(shí)，建筑物處無(wú)衰減磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)國(guó)家規(guī)范要求的800(A/m)，會(huì)造成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息控制系統(tǒng)等弱電設(shè)備的損壞。對(duì)生產(chǎn)控制樓等設(shè)備的機(jī)房和控制室，應(yīng)采取屏蔽措施。

(3)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域土壤電阻率分布均勻，平均土壤電阻率為3 150 Ω·m，屬高土壤電阻率范圍，接地制作比較困難。由于土壤電阻率很高，雷電產(chǎn)生時(shí)靜電感應(yīng)會(huì)對(duì)埋地電纜形成較大的損害。

(4)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域場(chǎng)址高差達(dá)510 m，且兩個(gè)片區(qū)相隔較遠(yuǎn)，由于地形抬升作用形成的對(duì)流云帶來(lái)的雷電活動(dòng)相應(yīng)增多。風(fēng)機(jī)選址均在強(qiáng)風(fēng)區(qū)，雷云沿這些路徑活動(dòng)，更易對(duì)風(fēng)機(jī)造成影響。綜上所述，風(fēng)電場(chǎng)雷暴日較周邊地區(qū)高，更易受到雷擊，且區(qū)域落雷概率高、閃電強(qiáng)度大；鄰近雷擊產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)靈敏設(shè)備造成影響；風(fēng)電機(jī)組、主變壓器的雷災(zāi)概率較大，整個(gè)項(xiàng)目的防護(hù)重點(diǎn)是升壓站主變壓器、風(fēng)電機(jī)組及場(chǎng)內(nèi)電源和信號(hào)傳輸線路。

綜上所述，元江風(fēng)電場(chǎng)雷暴日較周邊地區(qū)高，更易受到雷擊，且區(qū)域落雷概率高、閃電強(qiáng)度大；鄰近雷擊產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)及相關(guān)配套設(shè)備造成影響；風(fēng)電機(jī)組、主變壓器的雷災(zāi)概率較大，整個(gè)項(xiàng)目的防護(hù)重點(diǎn)是風(fēng)電機(jī)組、升壓站主變壓器及場(chǎng)內(nèi)電源和信號(hào)傳輸線路[5]。

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LIGHTNING RISK ASSESSMENT OF WIND FARM SHEEP BIFURCATED STREET IN YUANJIANG COUNTY OF YUNNAN PROVINCE

YANG Bo，DU Fu-sheng，YAN Yong-quan

(YuxiMeteorologicalBureau，Yuxi，653100，Yunnan，China)

In order to accurately grasp the law of lightning activity near Yangcha Street wind farm in Yuanjiang County，Scientific guidance for lightning protection design and Construction，it is necessary to carry out the risk assessment of lightning for reduce or avoid the damage caused by lightning.Based on the geological_terrain lightning and other factors were analyzed，this paper Trying to find the main lightning risk，probability of wind electric field of lightning disaster characteristics and wind electric field components，provide a reference for lightning protection design of the project.

wind farm Yangcha Street；Yuanjiang County；lightning activity；lightning protection design

2015-04-11；

2015-06-07．

P446

A

1001-7852(2015)03-0060-05