探討多風機風電場的防雷布置與雷電屏蔽

山西龍源新能源有限公司 張彩宏

風電是一種可以再生的清潔能源，國內外對其重視程度越來越高，我國將風力發電作為發展新能源的重點。但是風電機組的機身高度以及裝機容量最近幾年持續加大，從而使得風電機組受到雷擊的幾率上升。對于風電發展來講，其因雷擊原因造成的經濟損失很大程度地限制其發展。所以，為將雷電災害的危害進行降低，需要找到一種防雷優化以及兼顧風機發電效益的方法，對風機容易受到雷擊的環境以及影響風電場的防雷布置方式進行分析，有著非常重要的意義。

最近幾年，雷電災害破壞風電機組的情況是越來越嚴重，為了使得雷擊風電場的幾率進行降低，提出一種新型風機模型，從雷電先導出發并考慮葉片帶電粒子的影響，以此來對擊距范圍進行計算。結合傳統電氣模型，來對多風機之間的關鍵以及屏蔽雷電的依據進行判斷。根據這種方法來對風機間的屏蔽距離進行研究，并分析環境因素影響風電場屏蔽雷電的情況，結果說明風機間的屏蔽距離會受到環境因素的影響，比如空氣密度越大、海拔越低，其屏蔽距離就會隨之變大。

1 雷電屏蔽的幾何模型

1.1 屏蔽原理

對于雷電先導，根據電氣幾何法，其擊穿物體的距離進行放電時，把雷電參數與物體結構聯系在一起，這樣物體就能夠得到雷電流幅值不同的暴露區域，以此來計算物體受到雷電繞擊的情況[1]。其中，對于物體引雷的能力就是擊穿的距離，其表示的是雷云先導放電頭部到被擊物體的距離。

本篇文章主要研究兩風機間的屏蔽，并對屏蔽間距進行分析，如下圖1所示，彩色的圓為葉尖接閃器在一定雷電流，旋轉角度不同的情況下的擊距圓，圓心在葉尖旋轉畫出的圓上，葉尖接閃器的擊穿距離就是半徑Rp，兩風機間的距離用D 表示，Lf表示與風機在一定角度的水平屏蔽距離，由此可以得到：Lf=Rcosθ+Rp（1）。式中，風機葉片長度用R 表示，其與水平方向夾角用θ表示。

圖1 多風機屏蔽模型

假如風機葉片是軸對稱的運行方式，下行先導的方向是豎直向下的，那么兩風機的擊距圓在相交的時候，其會有一個重疊的距離，這個距離就是Ls，那么兩風機受到雷擊的次數N 有下面公式（2）計算得出：N=(4Lf-Ls)n（2），式中風機所處地方的等效雷擊密度用n 表示。如果其擊距圓沒有相交，那么其雷擊次數為：N0=4Lfn（3）。

通過公式（2）與公式（3）進行對比發現，N ＜N0這種情況一定有，即擊距圓一定會相交，從而使得兩者有互相屏蔽，以此對于雷擊次數兩者能夠有效減少，這對于風電場的防雷有著重要的意義。當兩風機間的距離對公式D＜Dmax=2Rcosθ+2Rp（4）的要求滿足時，這兩者會有屏蔽雷電的效果。式中兩風機最大的屏蔽距離用Dmax表示，該公式也是屏蔽雷電的判斷依據。

1.2 計算葉尖接閃器的擊距

根據屏蔽雷電的判斷依據可知，屏蔽雷電最大的距離和接閃器距離息息相關，為了對擊距范圍進行計算，需要先對風機周圍電位分布情況通過模擬電荷法進行求取。通過對下行先導電荷分布進行模擬，其先導通道內的電荷密度為：

其中，G(Z0)=1-Z0/H，H(Z0)=0.3α+0.7β，α=e-(Z0-10)/75，β=G(Z0)=1-Z0/H。在公式（5）中，某點到頭部之間的距離采取τ表示。雷云高度用H 表示，頭部高度用Z0表示，單位是m。IP表示第一次回擊時電流的大小，單位kA。

氣溶膠等大帶電粒子、小帶電粒子與中性顆粒公式如下：

KnN表示顆粒和帶電粒子相結合的系數，其值為2.9×10-6m3/s。粒子擴散率用d 表示，其值為1m2/s。μn-表示小的帶電粒子遷移率，其值為1.5×10-4m2/(s·V)。μN+表示大的顆粒遷移率，其值為1.5×10-6m2/(s·V)。對于泊松方程電場強度以及電場電勢均滿足▽E→=-▽2Φ=e(n++N+)/ε0（9），式中ε0表示空氣介電常數、其值為8.85×10-12F/m，元電荷的帶電量用e 表示。

大部分雷擊分為下行先導向下發展，上行先導起始，上下行先導連續。上行的發展見圖2，圖中背景電位用U1表示，畸變電位用U2表示，起始點和流注頭部之間的長度采用ls表示，上行先導長度用l 表示。

圖2 上行先導發展過程

當發展到第i 步的時候，其頭部電位為：

在公式（10）中，x0表示程度系數，其值為0.75m，Estr代表的是流注區電場的強度，該強度的數值是400kV/m。E∞表代表的是先導穩態，其值為3×104V/m。先導頭部新產生的電荷量由公式（11）表示。

先導所需電荷用qL表示，該電荷的數值為65μC/m，上行長度與公式（11）結合起來進行計算：l(i+1)=L(i)+ΔQ(i)qL（12），根據先導發展，架設在第n 步時上下行之間出現相遇而導致雷擊發生。這個時候接閃器的引雷范圍就是其流注發展和上行先導最遠距離，定義為接閃器擊距，通過公式Rp=l(n)+(Utip(n)-Ua(n))/Estr（13）進行計算。計算Rp的流程見圖3。

圖3 計算Rp 的流程

2 兩風機最大屏蔽距離受到環境因素的影響

由圖1能夠知道，風機水平屏蔽距離和葉片角度息息相關，對于最大屏蔽距離受到環境的影響進行分析，為了防止出現0與90°這兩種情況，分析時取旋轉角度為45°，以此來對誤差進行降低。1.5MW 風機的塔筒高和半徑分別是70m 與2.5m，葉片長與內引下線半徑分別是40m 與0.01m，雷電流幅值為60kA。

2.1 最大屏蔽距離和濕度、溫度及壓強的關系

因為流注區電場強度與環境因素有關，其關系如公式（14）所示。式中，空氣壓強用P 表示、單位是atm，標準大氣下海平面壓強用P0表示、數值為1atm，溫度用T 表示、單位為K，標準大氣下海平面溫度用T0表示、數值為293K。空氣相對密度用δ 表示，絕對濕度用γ 表示、單位為g/m3。

2.2 最大屏蔽距離和海拔高度的關系

對于空氣相對密度和絕對濕度的測量，要數據精確需要用到特殊的儀器，所以公式（14）在實際應用中不是很方便，因為海拔高度與P、T 以及γ存在一定關系，所以對兩風機間最大屏蔽距離能夠根據當地海拔來近似計算：P=P0e-Hl/8（15）、T=T0-6HL（16）、γ=γ0e-Hl/3（17），在上述公式中γ0表示絕對濕度、其值為11g/m3，海拔高度用HL表示、單位km。

將公式15～17代入到公式（14）當中，能夠得出海拔與流注區場強Estr的關系：Estr=9.18HL2-102.16HL+523.69，通過計算在雷電流為60kA 時，最大屏蔽距離會隨著海拔的上升而出現降低的情況。

3 實驗驗證

對于最大屏蔽距離受到環境因素的影響規律進行驗證，在我國某地開展對縮比風機模型放電試驗，來對不同濕度的情況下接閃器的擊距變化通過公式（4）能夠得到最大屏蔽距離與濕度的關系進行驗證。

試驗原理圖如圖4所示，葉片選取角度為30與90°。因條件限制，主要分析起始受到濕度的影響，本篇文章主要在溫度為30～32℃時選晴天與陰天進行擊穿試驗，晴天絕對濕度為18g/m3，陰天為25g/m3。

圖4 實驗原理圖

對30°與90°葉片角度進行擊穿試驗，總共進行二十次，每次濕度條件都不同，并通過曝光來對擊穿路徑進行記錄，以此來保證產生上行先導，并對擊穿時電壓進行記錄。通過試驗可知，擊穿電壓在絕對濕度為25g/m3時，要比絕對濕度在18g/m3時降低80kV 左右，這說明濕度越大、起始地越早，那么接閃器的擊距就越大，根據公式（4）中能夠看出，兩風機最大屏蔽距離也會隨之增大，試驗結果和空氣濕度增加而增大最大屏蔽距離結論是相符的。

4 分析風電場防雷的布置情況

本篇文章采取的風機是1.5MW，對于風電場的布置通過電氣幾何法進行分析。通過對葉片各角度的屏蔽距離和雷電流幅值，對風機間距進行確定。選擇海拔H=0、常壓與常溫分別是P=1atm、T=298K，根據公式（1）來計算Lf在不同角度下的幅值關系。如兩風機間距為4R、雷電流小于26kA，那么兩風機間不能屏蔽，在26～40kA 間兩風機某些葉片有屏蔽效果存在。在40kA 以上的時候，那么兩風機葉片旋轉角度在0～90°之間存在屏蔽效果。

還有對盛行風向進行考慮，因為風機葉片長時間與盛行風向的方向是垂直的，所以對于垂直盛行風向的風機雷電屏蔽要進行保證，因其對防雷的貢獻是非常大的[2]。根據相關的研究表明[3]，建議垂直盛行風向距離最好不要超過10R。對于兩風機受到氣流的影響也要進行考慮，所以風機最好的距離是在盛行風向上4R～6R 之間，這個時候對于雷電幅值在26～60kA 以上都有屏蔽作用，這對于傳統風機的不足能夠很好的進行補充。

盛行風向上葉片所處的時間相對來講比較短，哪怕是對風機的間距在盛行風向上進行增加，對于整個防雷布置來講也不會有明顯的影響[4]。所以在盛行風向上對風電場的間距進行確定時，首先對于后排風機不能受到前排風機尾流的影響進行保證，要盡量保障風電場效益。所以，其間距可以大于盛行風向的最大間距，簡單來講就是LP 要大于6R。

綜上，本文通過電氣幾何法來對多風機雷電屏蔽進行分析，電氣幾何模型根據雷電上行先導，對背景電位畸變受到葉片周圍粒子影響進行考慮，來對接閃器雷擊距離進行計算，對于能夠雷電屏蔽的判斷依據公式提出，兩風機之間的距離滿足了D 小于最大屏蔽距離時，那么兩風機間有雷電屏蔽效果存在。

對屏蔽最大距離的環境影響因素進行探討，包括海拔、濕度、壓強及溫度。通過分析可看出，如果海拔較高、濕度較大、溫度較低的地方，對于兩風機要想互相屏蔽，就需對兩風機之間的間距盡量的進行減少，以此才能達到屏蔽要求。本文選取的風機為1.5MW，對風電場布置間距通過防雷的角度以及擊距包絡弧水平最大距離進行分析，布置間距建議與盛行風向垂直間距在4R～6R 之間，與傳統方法對比，其對間距范圍的確定能夠進一步的減小。