周嬋媛

（湖南科技大學，湖南 湘潭411100）

風力發(fā)電機的雷電繞擊分析與防護

周嬋媛

（湖南科技大學，湖南 湘潭411100）

通過引雷空間法中的吸引半徑理論討論風機繞擊現(xiàn)象，計算最大屏蔽失效概率和繞擊概率。利用ATP-EMTP搭建風機葉片、塔筒和接地體模型，分析在機艙和塔筒間增設引下線對雷電流分流的效果。分析結果表明：風機最大屏蔽失效電流和繞擊概率隨著葉片旋轉角度的增大而增加；葉尖接閃器并不能實現(xiàn)對機艙的完全防護，需要在機艙尾部安裝接閃桿；增設引下線能夠提供一條良好的雷電流泄流通道。需要采取相應措施防止機艙接閃桿對風速儀、導航燈等設備的雷電反擊危害。

風力發(fā)電機；雷電；繞擊；接閃桿；引下線

0 引言

為了解決經(jīng)濟發(fā)展過程中的能源需求問題，各國都在大力發(fā)展清潔能源，其中風電的發(fā)展尤其引人注目。到2014年底，全球累計風電裝機容量369.60 GW，全球風電進入高水平發(fā)展時期[1]。由于風機通常安裝在山區(qū)或沿海地帶，惡劣的自然環(huán)境使得其受雷電危害較為嚴重[2-3]。

由于葉片處于風電機組最高點，最容易遭受雷擊，且葉片成本占風機總成本比例較高，遭受雷擊后維修費用高昂，因此對風機直擊雷防護研究重點主要集中在葉片[4-5]。IEC規(guī)范[6]也對葉片防雷作了詳細論述。但是統(tǒng)計風機雷擊事故發(fā)現(xiàn)，雷電可能并未擊中葉尖接閃器，而是繞擊擊中機艙前端和輪轂等外部突出部位，如果泄流通道不暢，就會對機艙內(nèi)軸承和齒輪箱等部件造成嚴重損壞[7]。但是目前對風力發(fā)電機的雷電繞擊分析研究較少。

筆者分析現(xiàn)有繞擊屏蔽模型，計算風機繞擊率和最大屏蔽失效電流。利用ATP-EMTP[8]建立完整風機模型，計算風機雷電繞擊情況下暫態(tài)特性，討論增加專設引下線對雷電流泄流的效果，為風電機組的雷電防護提供一定參考。

1 繞擊模型

目前較為常用的繞擊分析模型包括經(jīng)典電氣幾何模型[9]和Eriksson提出的改進電氣幾何模型[10]。在分析輸電線路屏蔽失效方面電氣幾何模型取得了較好的效果[11-12]。電氣幾何模型的核心是擊距概念，擊距將線路引雷能力同雷電流幅值建立聯(lián)系。在電氣幾何模型基礎上，相關學者又加以完善提出了引雷空間法來分析線路防雷保護[13]。引雷空間法中的一個重要概念是吸引半徑，是指引雷的結構物存在一定雷電吸引范圍，如果雷電下行先導進入吸引半徑范圍內(nèi)，結構物產(chǎn)生迎面先導以攔截下行先導，否則雷電先導擊中地面。吸引半徑較擊距更能反映建筑產(chǎn)生的上行先導對雷擊過程的影響。圖1給出了吸引半徑理論用于分析繞擊現(xiàn)象示意圖。圖1中，h為接閃桿高度，h0為被保護物高度，α為保護角，Rs和Rp分別為接閃桿和被保護物的吸引半徑，W為屏蔽失效后的暴露寬度。

圖1 吸引半徑示意圖Fig.1 Sketch map of attractive radius

不同研究人員根據(jù)不同的先導起始判據(jù)、擊穿判據(jù)和擊距公式都給出了相應吸引半徑計算公式，但主要形式類似：

式中：Ra為吸引半徑，h為接閃桿高度，I為雷電流幅值。參數(shù) a、b、c、選取見表 1[14-16]。

表1 吸引半徑參數(shù)選取Table 1 Parameters selection of attractive radius

當雷電下行先導進入暴露寬度范圍后，雷電便會繞過接閃桿擊中被保護物。暴露寬度W＝0時對應的雷電流Im稱作最大屏蔽失效電流。最大屏蔽失效電流可以通過下列公式計算：

2 風力發(fā)電機的繞擊分析

通過求取風機葉片和機艙的引雷半徑和暴露寬度，風力發(fā)電機的繞擊概率計算如下：

式中：f（I）為雷電流幅值概率分布。

雷電流幅值概率分布公式[17]如下：

筆者以華銳風電SL3000/113型風機為例，其葉片長度56.7 m，輪轂高度110 m，機艙長度12.3 m。圖2和圖3給出了葉片不同旋轉角度下的最大屏蔽失效電流和繞擊率。

圖2 最大屏蔽失效電流隨葉片旋轉角度變化Fig.2 Maximum shielding failure current vs rotation angle

圖3 繞擊概率隨葉片旋轉角度變化Fig.3 Shielding failure probability vs rotation angle

從圖2、圖3可以看出，風機的最大屏蔽失效電流和繞擊概率均隨著葉片旋轉角度的增大而增加，Eriksson公式計算結果明顯小于Petrov公式。雖然繞擊概率計算結果較小，但仍然有遭受電流幅值較小的雷擊可能。如果機艙尾部未安裝接閃桿，則完全依賴葉尖接閃器的保護。如果葉片的旋轉角度較小，風機最高點高度也較低，葉尖接閃器可以攔截來自機艙前方和上方的雷電下行先導，但對于從機艙尾后方襲來的雷電下行先導則有可能無法攔截，機艙遭受繞擊的概率就較大。

圖4給出了機艙尾部安裝接閃桿前后屏蔽保護示意圖，圖中葉片旋轉角度為30°。從圖4可以看出，機艙末端未安裝接閃器前，最大繞擊失效電流為11 kA（Petrov公式），對應的暴露寬度1.85 m（Petrov公式）。安裝接閃器后，由于接閃桿高于機艙，其吸引半徑也大于機艙，機艙不會直接暴露在雷電先導目標范圍內(nèi)，可以免受直接雷擊，同時也可以保護艙尾的風速風向儀。

圖4 安裝接閃桿保護示意圖Fig.4 Sketch map of install lightning rod in the tail of the nacelle

3 增設引下線

無論是雷擊葉片還是雷擊機艙接閃桿，雷電流都會通過電刷、機艙底板和偏航系統(tǒng)滑環(huán)等環(huán)節(jié)導入塔筒，再經(jīng)接地裝置泄散入地。如果電刷或滑環(huán)部位由于表面的磨損，導致接觸面接觸電阻增大，就阻礙了雷電流從該路徑傳導入地，轉而經(jīng)過機艙中高、低速軸和相關的設備以及塔筒內(nèi)線路傳導入地，這會嚴重損壞機組內(nèi)的設備，危害機組的安全可靠性[17]。為了穩(wěn)定泄流，有研究人員提出增加專設引下線連接機艙和塔筒[7]。利用ATP-EMTP搭建葉片、機艙、塔筒模型，分析增設引下線的泄流效果。

3.1 雷電流模型

雷電流波形采用Heidler函數(shù)[17]表示，表達式為

式中：I0為峰值電流；τ1和τ2分別為波頭時間常數(shù)和波尾時間常數(shù)；n為電流陡度因子，一般情況下取n=2或10。雷電流通道的波阻抗和雷電流幅值緊密相關，根據(jù)GB50064-2014給出的波阻抗隨雷電流幅值變化規(guī)律圖[18]確定。

3.2 葉片、塔筒和接地裝置模型

考慮雷電流在葉片上傳播的波過程，用分段波阻抗模型表示。將葉片分為葉尖、中部和葉根三段，每段波阻抗計算如下[19]：

式中：hb為每段等效高度；rb為每段等效半徑。

風機塔筒模型采用分布參數(shù)電路來等效[20]，用電感和阻抗描述。將塔筒分段，每段看作一個空心圓臺，如圖5所示。

圖5 分段塔筒模型Fig.5 Sectional tower model

分段塔筒等效半徑：

式中：H為分段塔筒長度；req為分段塔筒的等效半徑；r1、r2、r3分別為分段塔筒頂部、中部、底部的半徑。

分段塔筒等值阻抗：

式中：ρ為塔體材料的電阻率；A為塔體截面積。

分段塔筒等值電感：

式中：c為塔體內(nèi)徑與外徑之比；μ0為真空磁導率；μr為塔筒相對磁導率[20]。

將塔筒簡化為分段圓柱形導體計算其對地分布電容[21]：

式中：H′為分段塔筒最低高度；l0為分段塔體長度。

為了考慮雷電流流經(jīng)接地裝置時土壤的電離特性，采用GIGRE接地電阻模型，接地電阻通過下式計算：

式中：I為流過接地裝置的電流；R0為土壤工頻接地電阻；Ig是土壤臨界擊穿電流，由下式計算：

式中：Ec為土壤電離場強，取400 kV/m。

引下線和接閃桿采用電感和電阻表示，單位長度電感由下式計算[22]：

式中：l0為分段長度，a為導體半徑。

機艙軸承耦合電容[23]：

式中：ε是軸承潤滑油的介電常數(shù)；l為軸承的長度；D為軸承環(huán)軸線到滾子軸線的距離；R1為滾子半徑；R2為軸承環(huán)的半徑[23]。

3.3 仿真結果

仿真中參數(shù)選取如下：葉片長度56.7 m，塔筒高度110 m，引下線長1 m，截面直徑17 mm，接閃桿長0.2 m，直徑12 mm。 雷電流波形2.6/50 μs，幅值10 kA。圖6給出了安裝引下線后引下線和軸承的分流。

圖6 引下線分流Fig.6 Shunt of the down conductor

由圖6可以看出，增設專門引下線后絕大部分雷電流通過引下線流至塔筒，只有小部分流經(jīng)軸承，避免了雷電流對軸承的損害，同時也提供了一條穩(wěn)定的雷電流泄散通道。

仿真分析中還發(fā)現(xiàn)，接閃桿遭受雷擊時，其電位達到379 kV，增設引下線對暫態(tài)電位降低效果也不明顯。航空障礙燈、風速風向儀等設備距離接閃桿僅數(shù)十厘米，空氣擊穿強度以30 kV/cm[24]來估計，接閃桿上產(chǎn)生的過電壓很容易對對周邊設備造成反擊，繼而沿設備線路進入機艙，損壞機組的控制系統(tǒng)和敏感電子元件。2013年長春風場就曾經(jīng)發(fā)生過類似案例[25]。為了降低這種反擊危害，可以在航空燈供電線路斷路器負載側加裝二級組合SPD。

4 結論

計算了風力發(fā)電機的繞擊概率，利用ATPEMTP分析了敷設專設引下線后分流效果。根據(jù)上述分析，得到如下結論：

1）風機的最大屏蔽失效電流和繞擊概率隨著葉片旋轉角度的增大而增加。

2）風機葉片接閃器不能實現(xiàn)對機艙的完全防護，需要在機艙尾部安裝接閃桿攔截機艙后方來襲雷電先導。

3）在塔筒內(nèi)部增設專門引下線能夠實現(xiàn)有效分流。

4）需要采取相應措施降低機艙接閃桿雷擊暫態(tài)電位帶來的反擊危害。

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Analysis and Protection of Lightning Shielding Failure of Wind Turbine

ZHOU Chanyuan
（Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411100，China）

The height of wind turbine towers and the length of blades increase continuously with the development of wind power generation.It is expected that wind turbines will suffer more lightning strokes.It is important to analyze shielding failure of receptors in the blade tip since every part of the wind turbines may be stroke by direct lightning.Shielding failure phenomena for wind turbines is discussed based on attractive radius theory.Maximum shielding failure current and shielding failure probability are also calculated.A complete model of the wind turbine is established in ATP-EMTP to analyze protective effects of the down conductor in lightning current shunting.Results show that:Maximum shielding failure current and shielding failure probability both increase with rotation angle of the blade;it is necessary to install lightning rod in the tail of the nacelle;and adding a down conductor could provide a good pathway for lightning current shunting.Measures must be taken to protect anemometers and navigational lights from lightning counterattack risks.

wind turbine；tower；lightning；shielding failure；lightning rod；down conductor

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.015

2016-08-08

周嬋媛 （1996—），女，學士，研究方向：電氣工程及自動化專業(yè)。