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)各部件帶來損壞，尤其是在特殊地區(qū)的風(fēng)電場，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，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、安全運行，保障風(fēng)電場的安全生產(chǎn)，需要對風(fēng)機(jī)葉片引雷效果進(jìn)行有效評估，并對風(fēng)機(jī)組間距進(jìn)行計算，為此本研究以雷電先導(dǎo)理論為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，期望能夠為風(fēng)機(jī)和風(fēng)電場降低雷擊、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)起始過程

雷擊風(fēng)機(jī)葉片上行先導(dǎo)起始的過程：隨著雷電下行先導(dǎo)至地面，葉片接閃器周圍的電場強度逐漸增加至一定值時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，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)過程如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)雷電先導(dǎo)過程示意圖

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)停運時，葉片和葉片接閃器處于靜止?fàn)顟B(tài)。雷擊靜止葉片時由于下行先導(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［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提高，流注長度增加。流注長度超過臨界值以后，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)的電場強度和臨界長度受到空氣的壓強、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，臨界電勢不發(fā)生改變［4］。壓強和溫度發(fā)生改變，空氣密度改變，初始注流區(qū)的場強和臨界長度改變。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)的場強和臨界長度改變。壓強增大、溫度降低或者濕度增加，葉片端部注流區(qū)的場強變大，臨界長度變短。

1.3 雷擊運轉(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)雷擊運轉(zhuǎn)葉片時接閃時間為120～180μs時，風(fēng)機(jī)葉片端部移動的距離只有幾毫米，在這段時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。與靜止風(fēng)機(jī)葉片相比，旋轉(zhuǎn)時正離子均勻分布在其運動圓弧上，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)開始的時間比轉(zhuǎn)速低時慢，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)速決定著旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)葉片的上行先導(dǎo)開始的背景電勢。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，臨界電勢發(fā)生變化，葉片上行先導(dǎo)開始的背景電勢變化［5］。在發(fā)生雷電的情況和大氣條件相同時，旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化，葉片上行先導(dǎo)開始的背景電勢變化。

2 發(fā)電風(fēng)機(jī)葉片引雷效果評估

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；在雷擊的過程中，初始注流區(qū)的電場強度、臨界長度和背景電勢以及旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)葉片上行先導(dǎo)開始時的背景電勢沒有變化。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變化，在葉片靜止和旋轉(zhuǎn)兩種情況進(jìn)行引雷效果評估。

2.2 不同葉片角度的引雷能力評估

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分布試驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同葉片角度的背景電勢分布 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)酢Ｔ蚴侨~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)之間因為距離變化而造成電場分布變化，對葉片上行先導(dǎo)的開始和進(jìn)一步的發(fā)展帶來影響［6］。

2.3 不同接閃器半徑的引雷能力評估

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，背景電勢越大。葉片上行先導(dǎo)開始時，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。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分布的試驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同接閃器半徑的背景電勢分布 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，其與不同半徑的接閃器的葉片端部之間的電場不是均勻分布，氣隙電場的分布不通過，使得背景電勢的分布也不相同，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)組的引雷能力評估

為了進(jìn)一步研究風(fēng)電場實際的風(fēng)機(jī)葉片引雷效果，需要對風(fēng)機(jī)組情況下進(jìn)行葉片引雷能力評估。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)行背景電勢分布試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 不同間距雙風(fēng)機(jī)的背景電勢分布 MV

通過試驗數(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)之間的電場發(fā)生變化，使風(fēng)機(jī)的背景電勢分布發(fā)生變化，給葉片上行先導(dǎo)的開始和其后的發(fā)展帶來變化。

3 風(fēng)機(jī)組防雷間距計算

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，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。在試驗中選取的葉片角度分別為0°、30°和60°，試驗由單風(fēng)機(jī)和雙風(fēng)機(jī)模擬試驗兩部分組成。通過試驗數(shù)據(jù)和計算結(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，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)組防雷間距試驗方法

對于單風(fēng)機(jī)采用升降法進(jìn)行模擬試驗，3種角度分別進(jìn)行有效試驗20次，每隔1 min試驗一次，得到0°、30°和60°葉片角度時正負(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20次，每隔1 min試驗一次，得到0°、30°和60°葉片角度時雙風(fēng)機(jī)模擬試驗，對雷擊次數(shù)進(jìn)行記錄，從而進(jìn)行雷擊風(fēng)機(jī)概率計算。

3.3 風(fēng)機(jī)組防雷間距試驗數(shù)據(jù)及分析

1）單風(fēng)機(jī)雷擊模擬試驗。

對單風(fēng)機(jī)雷擊模擬試驗結(jié)果如表4所示。葉片角度不同時，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，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。

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的分布不均勻，降低了雷擊次數(shù)和雷擊概率。兩臺風(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，接閃器為負(fù)極性電極，在屏蔽同時極性效應(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)域電場分布分析，對葉片角度0°的1＃風(fēng)機(jī)葉片接閃器附近電場分布情況如表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對比 MV·m－1

單風(fēng)機(jī)時，豎直方向的接閃器周圍電場較強，雙風(fēng)機(jī)時，由于屏蔽使得接閃器周圍電場減弱，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。

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。通過表7數(shù)據(jù)及計算結(jié)果可知，由于兩臺風(fēng)機(jī)的相互屏蔽，在正負(fù)極性雷電下，與單臺風(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)和雷擊概率對比發(fā)現(xiàn)，在兩臺風(fēng)機(jī)之間的距離分別為1.5、2、2.5、3L，葉片角度0°時正負(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。兩臺風(fēng)機(jī)之間的距離相同時，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，兩臺風(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。

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。通過表8數(shù)據(jù)及計算結(jié)果可知，由于兩臺風(fēng)機(jī)的相互屏蔽，在正負(fù)極性雷電下，與單臺風(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

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

最后對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)電場的整體雷擊防護(hù)能力得到提升。

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