老尖山、大中山風(fēng)電場2019年雷電活動(dòng)特征分析

大姚云能投新能源開發(fā)有限公司 黃縛虎 管彥華 云南能源投資股份有限公司 段家華

云南省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心 胡 穎 尹磊邦

雷電是造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)損壞最主要的自然災(zāi)害之一。云南風(fēng)電資源非常豐富，同時(shí)云南高原山地風(fēng)電場由于受高原氣候、地質(zhì)、環(huán)境、雷暴等因素的影響，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷一直是困擾整機(jī)廠商和業(yè)主的重要問題之一[1]。風(fēng)電場每年每百臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雷擊率在10%左右，造成風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)備、器件等損壞，會(huì)產(chǎn)生高昂的維修費(fèi)用，同時(shí)還會(huì)造成機(jī)組停運(yùn)影響發(fā)電[2]。按照收益率估算，每臺(tái)風(fēng)機(jī)至少需要運(yùn)行20年才能避免虧損，需盡量避免因雷擊造成的機(jī)組停電或維修事件發(fā)生，所以做好風(fēng)電機(jī)組的防雷保護(hù)至關(guān)重要。通過分析風(fēng)電場周邊雷電活動(dòng)的分布，找出最易遭受雷擊的風(fēng)電機(jī)組，加強(qiáng)防護(hù)、主動(dòng)避讓，可以很大程度上降低雷擊風(fēng)機(jī)造成的損失。

1 老尖山風(fēng)電場2019年雷電活動(dòng)時(shí)空分布

老尖山風(fēng)電場位于云南省楚雄彝族自治州大姚縣與姚安縣交界的山脈，設(shè)計(jì)安裝24臺(tái)單機(jī)容量2.0MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)規(guī)模為48MW，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配套建設(shè)1臺(tái)箱變，風(fēng)機(jī)的輪轂高度為80米，葉輪直徑為111米。同時(shí)建有一座110kV的升壓站，24臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過箱變升壓至35kV，通過2回35kV集電線路接入老尖山風(fēng)電場110kV升壓站。統(tǒng)計(jì)2019年全年二維閃電定位儀監(jiān)測的老尖山風(fēng)電場（經(jīng)度101.51°，緯度25.59°）、大中山風(fēng)電場（經(jīng)度101.37°，緯度25.61°）半徑10公里范圍的地閃數(shù)據(jù)，結(jié)合地理信息數(shù)據(jù)，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、插值等方法分析風(fēng)電場周邊雷電活動(dòng)情況。

1.1 雷電活動(dòng)空間分布

2019年1 ～12 月期間老尖山風(fēng)電場周邊10公里范圍內(nèi)共發(fā)生地閃495次，其中負(fù)地閃480次，正地閃15次，最大地閃強(qiáng)度達(dá)到143.1KA。周邊區(qū)域地閃密度在4～9.6次/km2.a，地閃強(qiáng)度在17.6～50.7KA之間，其中d1～d5號(hào)風(fēng)機(jī)及升壓站處于雷電高易發(fā)區(qū)，且雷擊強(qiáng)度較大。d18～d24號(hào)風(fēng)機(jī)處于雷電一般易發(fā)區(qū)，但雷擊強(qiáng)度較大，也應(yīng)加強(qiáng)防范。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年老尖山d1～d5號(hào)風(fēng)機(jī)及升壓站周邊500m范圍內(nèi)在7月18日、8月3日、8月22日有地閃發(fā)生，強(qiáng)度最大地閃為8月22日發(fā)生在升壓站附近的地閃，達(dá)到59.6KA；d6～d12號(hào)風(fēng)機(jī)周邊500m范圍在5月27日、7月24日、8月3日有地閃發(fā)生，強(qiáng)度最大地閃為7月24日發(fā)生在d6號(hào)風(fēng)機(jī)附近地閃，達(dá)到74.3KA；d14～d17號(hào)風(fēng)機(jī)周邊500m范圍在5月27日、8月3日有地閃發(fā)生，強(qiáng)度最大地閃為8月3日發(fā)生在d17號(hào)風(fēng)機(jī)附近地閃，達(dá)到30.9KA；d18～d24、d13號(hào)風(fēng)機(jī)周邊500m范圍在5月27日、8月3日有地閃發(fā)生，強(qiáng)度最大地閃為9月20日發(fā)生在d13號(hào)風(fēng)機(jī)附近地閃，達(dá)到55.5KA。

1.2 雷電活動(dòng)時(shí)間分布

從圖1可看出，區(qū)域周邊10公里范圍內(nèi)地閃活動(dòng)集中發(fā)生在8月，高達(dá)270次，占全年總閃次數(shù)的55%左右。地閃強(qiáng)度分布相對(duì)平均，集中在30～40KA之間。3月平均強(qiáng)度相對(duì)較大，達(dá)到50KA。2月、3月閃電活動(dòng)偶有發(fā)生，以正閃為主，正閃平均強(qiáng)度較大，一旦發(fā)生雷電活動(dòng)，造成雷擊災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)也較大。

從圖2可看出，地閃活動(dòng)有兩個(gè)高峰時(shí)段，高峰時(shí)段在下午15～16時(shí)左右，地閃次數(shù)達(dá)到168次。次高峰時(shí)段在夜間2時(shí)～3時(shí)。1時(shí)雷電開始增多，2時(shí)達(dá)到最大值31次。地閃低谷時(shí)段為凌晨4時(shí)至中午11時(shí)，該時(shí)段內(nèi)基本無閃電發(fā)生。平均地閃強(qiáng)度最大時(shí)區(qū)在晚間22～23時(shí)、凌晨3～4時(shí)，該時(shí)段閃擊次數(shù)相對(duì)較少，但雷擊強(qiáng)度較大。雷暴云的發(fā)展與熱氣團(tuán)在不穩(wěn)定環(huán)境中的對(duì)流抬升有關(guān)，地閃活動(dòng)日分布的該特征是由于太陽輻射在中午達(dá)到最強(qiáng)，下墊面升溫明顯，層節(jié)易不穩(wěn)定，增加了局地?zé)釋?duì)流的發(fā)生機(jī)率。日落后太陽輻射銳減，對(duì)流消散明顯，地閃活動(dòng)相應(yīng)減少。夜晚受大氣逆輻射的影響，地閃活動(dòng)會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)高峰期。

2 大中山風(fēng)電場2019年雷電活動(dòng)時(shí)空分布

大中山風(fēng)電場位于云南省楚雄州大姚縣金碧鎮(zhèn)東南面與姚安縣東北面前場鎮(zhèn)交界處的羅么乍箐頭-松子山-大中山一帶山脊部位。建設(shè)有20臺(tái)單機(jī)容量為2.0MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配套建設(shè)1臺(tái)箱變，風(fēng)機(jī)的輪轂高度為80米，葉輪直徑為93米和102米。同時(shí)在場區(qū)中部建設(shè)了一座110kV的升壓站。

2.1 雷電活動(dòng)空間分布

2019年1 ～12 月期間，大中山風(fēng)電場周邊10公里范圍內(nèi)共發(fā)生地閃385次，其中負(fù)地閃353次，正地閃32次，最大地閃強(qiáng)度達(dá)到135.1KA。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地閃密度在4.6～6次/km2·a，地閃強(qiáng)度在29.5～40.3KA之間。D1～D13號(hào)風(fēng)機(jī)處于雷電一般易發(fā)區(qū)，D14～D20號(hào)風(fēng)機(jī)處于雷電中等易發(fā)區(qū)，但周邊區(qū)域雷擊強(qiáng)度也較大。2019年大中山風(fēng)電場升壓站、風(fēng)機(jī)未遭受過雷擊，區(qū)域周邊3公里范圍內(nèi)在6月13日、7月3日、7月4日發(fā)生過雷擊。總體來說，大中山風(fēng)電場區(qū)域周邊10公里范圍內(nèi)雷電活動(dòng)一般密集。

2.2 雷電活動(dòng)時(shí)間分布

從圖3可看出，區(qū)域周邊10公里范圍內(nèi)地閃活動(dòng)集中發(fā)生在6月和8月，分別高達(dá)107次和104次，占全年總閃次數(shù)的55%左右。地閃強(qiáng)度分布相對(duì)平均，集中在30～40KA之間。2月平均強(qiáng)度相對(duì)較大，達(dá)到73KA。2月、3月閃電活動(dòng)偶有發(fā)生，以正閃為主，正閃平均強(qiáng)度較大，一旦發(fā)生雷電活動(dòng)，造成雷擊災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)也較大。

圖4為大中山風(fēng)電場區(qū)域地閃次數(shù)和強(qiáng)度的小時(shí)分布圖，地閃活動(dòng)有兩個(gè)高峰時(shí)段，高峰時(shí)段在下午15～20時(shí)左右，15～16時(shí)地閃次數(shù)達(dá)到66次。次高峰時(shí)段在夜間1時(shí)～2時(shí)。0時(shí)雷電開始增多，12時(shí)達(dá)到最大值28次。地閃低谷時(shí)段為凌晨7時(shí)至中午12時(shí)，該時(shí)段內(nèi)基本無閃電發(fā)生。平均地閃強(qiáng)度最大時(shí)區(qū)在晚間22～23時(shí)、凌晨4～5時(shí)，該時(shí)段閃擊次數(shù)相對(duì)較少，但雷擊強(qiáng)度較大。

3 結(jié)語

老尖山風(fēng)電場和大中山風(fēng)電場相比，2019年老尖山風(fēng)電場周邊10公里范圍內(nèi)雷電活動(dòng)更為頻繁，地閃更為密集，雷雨天氣時(shí)遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)更大。風(fēng)電場在選址時(shí)應(yīng)充分考慮雷電環(huán)境，考慮雷電對(duì)風(fēng)電場運(yùn)行可能帶來的潛在影響[3]。變被動(dòng)防雷為主動(dòng)避讓，可以很大程度上降低雷擊風(fēng)機(jī)造成的損失。老尖山風(fēng)電場2019年D1～D24號(hào)風(fēng)機(jī)以及升壓站周邊500m范圍內(nèi)均有地閃發(fā)生，地閃強(qiáng)度最大達(dá)到74.3KA。其中，D11、D12、D16、D17號(hào)風(fēng)機(jī)周邊100m范圍內(nèi)有地閃發(fā)生。大中山風(fēng)電場2019年D1～D20號(hào)風(fēng)機(jī)周邊500m范圍內(nèi)均無地閃發(fā)生。老尖山風(fēng)電場2019年地閃最多月為8月，地閃高峰時(shí)段為15～16時(shí)，2月、3月閃電活動(dòng)偶有發(fā)生，以正閃為主，但平均強(qiáng)度較大。大中山風(fēng)電場2019年地閃最多月為6月、8月，地閃高峰時(shí)段為15～20時(shí)，2月平均強(qiáng)度相對(duì)較大，達(dá)到73KA。

通過分析風(fēng)電場周邊歷史雷電活動(dòng)分布情況，可找到風(fēng)機(jī)雷電防護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)，指出雷電防護(hù)的重點(diǎn)時(shí)段，同時(shí)有針對(duì)性加強(qiáng)防護(hù)，減少被雷電擊中的概率。