風力發電機機艙新型接閃系統防護效能評估

吳永鵬 王甜甜 于雪原 楊航 何相勇

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-9236

作者簡介：

吳永鵬（1992—），男，工程師，研究方向為風力發電機組電氣設計。

于雪原（1983—），男，高級工程師，研究方向為風力發電機組電氣設計。

通信作者：何相勇（1980-），男，博士，研究員，研究方向為雷電及其防護設計。E-mail：he.xiangyong@airborne-em.com。

摘要：針對風力發電機復材機艙接閃系統防護效能評估中存在的滾球法適用受限、被保護對象結構與分布復雜的問題，結合風電場雷電環境特點，建立了兩種接閃設計方案的數值模型，計算了多種先導起點位置條件下的電場分布；從表面電場、附著區域及等電勢覆蓋區域3個關鍵影響因素出發，比較了兩種設計方案的防護效果，結果表明該方法能夠更加準確評估防護效能，可有效支持復雜系統的雷電防護的精細化設計。

關鍵詞：防護效能?評估方法?接閃系統?風力發電機組

中圖分類號：TK83文獻標識碼：J???文章編號：

隨著新能源產業，特別是風電產業進入集約增效發展階段，風電系統更加安全、高效運行問題日益重要，以適應風電成本快速下降的趨勢，因此更大的風機單機容量、更長更輕更廉價的復材葉片、更高的更輕的復材塔筒[1]被更大范圍的采用。與此同時，風電項目多新建在沙漠戈壁、山地高原等環境惡劣低成本區域[2-3]，以進一步降本增效。根據統計結果[4]，風機結構特點與風電場所處位置特征，雷擊是影響風電機組的穩定運行、易造成巨大的經濟損失的重要威脅。

風電設備與項目場景雙重變化，對風機的雷電防護研發提出了更多挑戰：（1）設備方面，機艙從金屬轉為玻璃鋼或復合材料，燒蝕、熔穿和分層等雷擊損傷也更加嚴重；復合材料艙體對雷電間接效應危害的保護作用不足；（2）設計方面，風電機組的防護主要通過葉片接閃器/導流條/銅網等措施，并通過將葉片等效為避雷針從而實現對機艙的直擊雷防護，這種防護方法在機艙防護上存在遺漏之處；在機艙尾部氣象站上方安裝避雷針并通過塔筒形成接地[4]的設計方案中，由于機艙避雷針和其他氣象設備組合使用，需要盡量降低對氣象設備的影響；（3）效能評估方面，機艙及其避雷針位于塔筒上方的超高位置，多高于《建筑物防雷設計規范》（GB?50057—2010）滾球法評估保護范圍的上限120?m（超高部分認為不具備防護效能），且復合材料艙體的雷電電磁感應效應更為復雜[5，6]，使得防護評估的難度變大。

綜上，采用靜電場法對避雷針及機艙尾部的雷擊附著特性進行數值計算，以接閃效率、防護范圍、分流特性為評價指標，開展風機機艙雷電防護效能評估研究，可為提供防護效能提供理論與仿真支持，以及為后續超高風電機組的雷電防護設計提供參考，具有重要的技術和經濟意義。

1 ?兩種新型避雷針設計方案

目前，以環氧樹脂為基體的玻璃鋼（GFRP）絕緣材料為主的風機機艙罩，多使用機艙內部的金屬法拉第籠結構作為引流導體，相比于增設獨立的引下線系統，這種防護設計更加高效、低成本更低。

本文提供了兩種新型的避雷針設計方案，均采用復材艙體下埋金屬法拉第籠結構+氣象站避雷針方案：方案一如圖1（a）所示，矩形的框式結構頂部設置一根垂直的避雷針，矩形框內安裝氣象站設備，氣象站底端、金屬法拉第籠、塔筒三者的引下線依次相連最終接地；方案二如圖1（b）所示，H型框架上設置三根避雷針，分布在兩側，避雷針附近安裝氣象站設備，底端及引下線安裝方式與方案1相同。兩種方案中機艙與外部形狀大體相當。

2 ?模型構建與仿真方法

2.1 ?雷電仿真模型構建

影響避雷系統防護效能的因素主要包括風場所在地的雷電流平均強度，避雷系統表面在雷電環境中感應電場強度分布，附著點起始先導競爭效應對其余位置的保護情況。本文充分考慮3種因素，構造風場雷電環境。

2.1.1 風場的雷電流平均強度及其雷擊距

雷擊距的定義是首次雷擊時先導頭部和避雷針接閃位置的這一擊距離。雷擊距是影響避雷針系統雷電防護效能的重要因素。當一個階梯先導發展接近雷擊距時，它將被吸引到避雷系統上，即雷擊距就是被評估的避雷系統的滾球半徑[7]。一般認為雷擊距與雷電流幅值關系滿足：

式（1）中：、b均為常數。本研究選取IEEE規定的擊距參數[8]，其中b=0.65，=8。同時，用棒狀電極模擬下行先導頭部，電極電壓取空氣中棒間隙的負極性雷電沖擊50%擊穿電壓：

式（2）中：為雷電沖擊50%擊穿電壓，單位為kV；d為極間距離，單位為cm。以幅值20kA的雷電流波形為例，計算得出雷電擊距為56?m，電極電壓為33.7?MV。

2.1.2 避雷系統表面感應電場強度分布

下行先導在避雷系統表面感應的電場強度是上行先導發展重要的影響因素。受雷電下行先導以及雷云背景電場的影響，當下行先導向下發展接近大地時，風機及其避雷系統附近空間/表面的電場強度抬升和畸變，電場強度會在風機及其避雷系統表面曲率半徑較小的位置率先達到起始放電場強，觸發上行先導。根據雷電上行先導發生特性，存在大范圍強電場的區域、風機機艙罩及其接閃器表面場強越強的位置，觸發上行先導并建立雷電通道概率更大。為了能夠直觀地獲得接閃裝置及機艙系統的電場分布，本文對電場分布進行歸一化處理，見式（3）：

式（3）：為機艙系統上的電場強度，單位為kV/m；為機艙系統上的電場強度的最大值，單位為kV/m；為機艙系統上的電場強度的最小值，單位為kV/m；為機艙系統上的相對電場強度，其值范圍在0～1之間。

綜上所述，這些表面場強越強的區域可以劃為附著區[8]。對于風機及其避雷系統，良好的防護效果要求附著區集中于避雷系統，且在機艙上不存在附著區。

2.1.3?先導競爭效應的保護效應

機艙及其避雷系統表面附著區出現起始先導時，由于電荷持續向空中釋放，附著區的電勢相對下降；在雷電下行先導影響下，初始先導持續生長，直至形成長度2～10?m長的穩定先導。在這個先導生長的過程中，會抑制周圍先導的產生[9]。即附著區附件的起始先導競爭效應會對其余位置形成保護。在分析復雜的風機避雷系統雷電防護效能時，需要考慮在附著區形成先導的條件下的等電勢面的覆蓋的范圍，避雷系統對風機的防護效能取決于防護米娜覆蓋是否足夠大、足夠全面。

2.2 ?附著點仿真的電極設置

將機艙放在整個風機系統中考慮時，前端葉片上的雷電保護裝置（如葉片接閃器）可以對葉片和機艙頭部起到保護作用，即來自機艙正面和上面的下行先導，優先附著在葉片上。因此在選擇附著點電極位置時，全面考慮可能的雷擊角度，本文在建立機艙接閃仿真模型時，以避雷針底部表面中心位置為原點，向上為Z軸，水平向葉片方向為X軸。如圖2和圖3所示，XOZ平面上φ的范圍為0°～60°，YOZ平面上θ范圍為-60°～60°。

3 ?仿真結果與討論

3.1 ?表面電場分布

圖4為電極處于θ=0°，φ=0°、30°、60°位置下，圖5為電極處于φ=0°，θ=30°、60°位置下，計算所得的兩種避雷針方案下機艙與避雷系統的表面電場強度分布圖。分析表明：（1）當電極位于θ=0°，φ=0°時，高強度電場區域分布主要集中在機艙頂部避雷針上，隨著電極位置的改變，電場強度分布逐漸分散；（2）綜合分析多種電極位置下的高強度電場分布區域，在兩種設計方案中，均集中在避雷針頂部，風速儀、風向標、風速風向儀邊緣的尖角結構處，即使隨電極位置變化，電場強度有所變化，但是這些位置的電場強度仍遠大于機艙尾部的電場強度。這些計算結果表明，按照高強度電場區域優先接閃的判據，兩種設計方案中的避雷針都能夠實現對機艙的保護。

3.2 ?附著區域分布

統計兩種避雷針設計方案的機艙系統中關鍵位置標記，并統計其歸一化電場強度的最大值，如圖6所示。圖6（a）為避雷針方案設計1不同角度下關鍵位置處歸一化電場強度最大值統計圖，圖6（b）為避雷針方案設計2不同角度下關鍵位置處歸一化電場強度最大值統計圖。

由圖6（a）可知，方案1中不同工況時垂直避雷針上的歸一化電場強度為0.67左右，然而風速儀在不同工況下的歸一化電場強度近似為0.06，風向標、風速風向儀在不同工況下的歸一化電場強度更小，僅為0.03左右，均大于機艙尾部左右兩側的歸一化電場強度最值0.02，這說明方案1的避雷針設計，可以有效的防護上邊的氣象設備以及機艙尾部。

由圖6（b）可知，方案2中不同工況時，三根避雷針上的歸一化電場強度最值分別為0.78、0.75、0.76左右，風速儀、分向標的歸一化電場強度近似為0.15，風速風向儀上邊電場僅為0.06，遠大于機艙尾部左右兩側的歸一化電場強度最值0.005，這說明方案2的避雷針設計，相比于方案1對機艙尾部的防護更優，但是考慮到避雷針上的各種氣象設備，方案1的設計效果明顯要優于方案2。

3.3 ?等電勢覆蓋區域分布

圖7為兩種方案在電極位于θ=0°，φ=0°、30°、60°位置時機艙空間等勢面分布；圖8兩種方案在電極位于φ=0°，θ=0°、30°、60°位置時機艙空間等勢面分布。

比較圖8兩種避雷針方案的空間等勢面分布，方案1的避雷針高度高于方案2的避雷針高度0.7m，發現方案1對機艙前后的保護范圍略大，對比圖8種避雷針方案的空間等勢面分布，方案2 這種H形框架上設置三根避雷針對機艙左右兩側的防護范圍大于方案1。

3.4 ?防護效果的比較

根據表面電場分布、附著區域分布、等電勢覆蓋區等因素，得出的主要結論如下：（1）電場強度高的位置主要集中在機艙頂部避雷針上，隨著先導位置的改變，電場分布逐漸分散，兩種方案均能滿足基本的雷電防護要求；（2）基于玻璃鋼機艙的實際安裝結構，分析了對關鍵點位的保護情況，方案1設計對機艙上安裝的氣象設備防護效果更好；但是方案2設計對機艙尾部的防護更優；（3）從等電勢面的保護范圍看，方案1對機艙前后的保護范圍略大，綜合葉片保護范圍看，方案1的保護效果略好。

4 ?結語

本文針對某機艙兩種避雷針設計方案，建立了雷電與機艙系統模型，仿真研究了模擬先導（電極）在不同位置時，作用于各避雷針、風速設備以及機艙尾部結構上的電場強度分布，并以此為依據，研究了其附著區及其等電勢覆蓋區，通過對比評估了兩種接閃系統的防護效能。本文研究的接閃系統效能評估方法，可以有效支持復雜系統的雷電防護的精細化設計，有效解決傳統滾球法設計的不足。

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