陶家元TAO Jia-yuan；鄭雪娜ZHENG Xue-na；曹強(qiáng)CAO Qiang；顧小慧GU Xiao-hui；吳勝磊WU Sheng-lei；何慧君HE Hui-jun

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

在“十四五”規(guī)劃和“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略背景下，加快清潔能源快速發(fā)展以及推動能源行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型刻不容緩。其中，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是我國電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級的重要方向以及實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵途徑[1]，由此關(guān)于風(fēng)電機(jī)組相關(guān)問題的研究受到相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的廣泛關(guān)注。

根據(jù)全球風(fēng)能理事會（GWEC）發(fā)布的統(tǒng)計結(jié)果顯示，截至2021 年底，全球累計風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)837.0 GW，中國累計風(fēng)電裝機(jī)容量為328.5 GW，占比39.2%居世界首位[2]，如圖1 所示。

圖1 全球及中國累計風(fēng)電裝機(jī)容量

為了更好發(fā)揮風(fēng)電場的發(fā)電作用，山區(qū)、平原以及沿海等空曠的地區(qū)成了風(fēng)電場建立的首選，而這些地理位置里高聳的風(fēng)電機(jī)組也剛好成為雷電選擇攻擊的主要目標(biāo)，其安全穩(wěn)定運(yùn)行難以保障。山區(qū)風(fēng)電機(jī)組有如下特點(diǎn)[3]：

①山區(qū)通常海拔較高，雷暴日亦較高。對于山區(qū)的風(fēng)電機(jī)組而言，大多在多雷區(qū)和強(qiáng)雷區(qū)，風(fēng)機(jī)距離地面最大高度超過百米，風(fēng)電機(jī)組引雷效應(yīng)比較明顯。

②土壤電阻率較高，土壤電阻率不均勻。山區(qū)風(fēng)電機(jī)組所處的地形和地質(zhì)結(jié)構(gòu)差異多樣化，土壤電阻率在不同方向測量值差異大。

③山區(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組深受接地網(wǎng)實施面積的影響，吊裝平臺面積極為有限。

④山路崎嶇，交通不便。山區(qū)風(fēng)電場道路較為彎曲，所需的施工材料運(yùn)輸不便，且運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)。

以上四點(diǎn)為山區(qū)風(fēng)電機(jī)組較為特殊的地方，其中高雷暴是較為突出的核心?；谝陨锨闆r，因此對山區(qū)風(fēng)電機(jī)組的雷電防護(hù)提出了比平原風(fēng)電場更高的要求。

1 風(fēng)電機(jī)組雷擊損壞情況

如今的風(fēng)電機(jī)組尺寸大且電子器件密集，對全面的防雷保護(hù)能力提出了更高的要求。在國外，經(jīng)過多年以來的實際運(yùn)行統(tǒng)計得到風(fēng)電機(jī)組雷擊損壞率如表1 所示[4，5]。

表1 國外風(fēng)電機(jī)組雷擊損壞率

在國內(nèi)，風(fēng)電場處于更為復(fù)雜的地理位置和氣候環(huán)境，風(fēng)電機(jī)組因受雷擊損壞的問題越發(fā)尖銳和突出。華能南澳風(fēng)電場2001-2010 年期間風(fēng)電機(jī)組雷擊損壞率為9次/（百臺·年）[6]。東北某大型風(fēng)電場雷擊損壞的數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，2008-2011 年期間風(fēng)電機(jī)組雷擊損壞率高達(dá)37.5次/（百臺·年）[7]。

雷電的危害主要有兩部分：一為直擊雷危害；二為感應(yīng)雷危害[8]。直擊雷的損害主要是通過雷電直接放電產(chǎn)生的巨大電磁能量對所擊中的風(fēng)機(jī)葉片或者機(jī)艙等部件產(chǎn)生的損害。對于感應(yīng)雷而言，雷電擊中風(fēng)機(jī)后，雷電流在經(jīng)葉片、機(jī)艙、塔筒和接地系統(tǒng)到大地的這一暫態(tài)過程中，雷電流因其快速變化而會感應(yīng)出磁場，磁場又會引發(fā)很高的感應(yīng)過電壓，從而對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)帶來極大的威脅。

2 風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 雷電先導(dǎo)發(fā)展機(jī)理

為了更好研究雷電防護(hù)，首先應(yīng)針對雷電先導(dǎo)的起始和發(fā)展進(jìn)行深入的研究。當(dāng)下行的雷電和地面起始的上行先導(dǎo)發(fā)生連接時，物體被雷擊的過程則發(fā)生了[9]。瑞典學(xué)者Becerra[10]提出當(dāng)帶負(fù)電荷的雷云形成時，靠近地面的電場從約100V/m 緩慢增加至幾十kV/m。根據(jù)電場的增加，建立了雷電先導(dǎo)發(fā)展模型。山東大學(xué)的王國政[11]將電氣幾何方法與雷電先導(dǎo)發(fā)展的物理過程相結(jié)合，提出了針對風(fēng)機(jī)葉片的電氣幾何分析模型。

由于風(fēng)電機(jī)組自身的特殊性，其上行先導(dǎo)起始的研究和輸電線路的研究差異很大。以葉片的旋轉(zhuǎn)和空間電場分布的相關(guān)性的研究而言，Montanya[12]通過三維雷電映像陣列和高速攝影儀對某風(fēng)電場的雷擊觀測發(fā)現(xiàn)：低海拔風(fēng)機(jī)接閃放電呈現(xiàn)周期性規(guī)律，與風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)周期高度吻合，進(jìn)而推斷風(fēng)機(jī)葉片的旋轉(zhuǎn)會促進(jìn)雷電觸發(fā)。武漢大學(xué)的文習(xí)山[13]對典型2MW 風(fēng)機(jī)的1:30 縮比模型進(jìn)行了葉片靜止和旋轉(zhuǎn)等不同狀態(tài)下的接閃放電比對試驗，分析認(rèn)為葉片的旋轉(zhuǎn)改變了葉尖區(qū)域的電荷分布，使葉尖上行先導(dǎo)發(fā)展不充分，從而影響了放電發(fā)展過程。華北電力大學(xué)的郭子炘[14]設(shè)計1:30 縮比可旋轉(zhuǎn)3MW 風(fēng)機(jī)模型，開展旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下風(fēng)機(jī)葉片防雷裝置接閃特性研究。實驗表明旋轉(zhuǎn)會對接閃過程中葉片接閃點(diǎn)分布與接閃后放電通道產(chǎn)生影響，放電具有明顯的極性效應(yīng)，旋轉(zhuǎn)使得正極性放電下葉片接閃器攔截效率下降，對負(fù)極性影響較小。

但目前研究對旋轉(zhuǎn)影響風(fēng)機(jī)接閃放電過程機(jī)理的闡釋仍未完善，并且現(xiàn)有研究對象多為單體風(fēng)機(jī)，從風(fēng)電場整體角度開展的研究較少，風(fēng)機(jī)之間的相互屏蔽性能成為防雷設(shè)計的考慮因素之一。

2.2 風(fēng)電機(jī)組直擊雷防護(hù)方法

雷電擊中風(fēng)機(jī)葉片后通過電弧熱效應(yīng)和機(jī)械應(yīng)力作用產(chǎn)生破壞[15]。當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片遭受雷擊后，葉片殼體表面因遭受雷電流的影響而形成高溫電弧，弧道附近的葉片材料被大幅灼傷，此外，劇升的高溫也會使得葉片內(nèi)部的溫度飆升，內(nèi)部氣體因受熱膨脹，導(dǎo)致葉片內(nèi)部形成沖擊波，進(jìn)而導(dǎo)致葉片殼體的機(jī)械損傷。

風(fēng)電機(jī)組直擊雷防護(hù)方法主要包含接閃、引下、等電位連接和接地[16]。風(fēng)機(jī)葉片容易遭受雷擊，通常用一定數(shù)量的金屬接閃器來規(guī)避該雷擊風(fēng)險，通過金屬導(dǎo)體連接接閃器和葉片根部的金屬結(jié)構(gòu)。如圖2 展示了IEC/TR 61400-24 提及的四種葉片典型雷電防護(hù)系統(tǒng)[5]。當(dāng)接閃器遭受雷擊時，與金屬導(dǎo)體相連的風(fēng)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)可以經(jīng)接地裝置將電流引向大地[17]，從而使得風(fēng)機(jī)葉片免受雷擊的影響。

圖2 葉片典型雷電防護(hù)系統(tǒng)

為充分發(fā)揮風(fēng)電場的作用，通常將其建立在風(fēng)能豐富的山區(qū)，而山區(qū)因其特殊的地形地貌易遭受雷擊，此外，山區(qū)土壤的電阻率較高，這使得風(fēng)機(jī)遭受雷擊的概率更高，主要是因為風(fēng)機(jī)的接地電阻和國標(biāo)要求相差甚遠(yuǎn)，風(fēng)機(jī)遭受雷擊時，其電流不易及時疏散，從而造成反擊過電壓，對風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行產(chǎn)生極大的傷害和影響，所以構(gòu)建有效的防雷接地系統(tǒng)對風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行意義重大?，F(xiàn)行大多采用的改善方法是：連接風(fēng)電場內(nèi)所有的機(jī)組接地網(wǎng)，形成一個大的網(wǎng)狀接地結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實現(xiàn)整個風(fēng)電場的接地電阻降低的目的。此外，還可通過敷設(shè)金屬導(dǎo)體進(jìn)而降低機(jī)組接地網(wǎng)間接地電阻的目的[18，19]。

然而山區(qū)土壤情況較為復(fù)雜，故風(fēng)電機(jī)組的接地系統(tǒng)與接地電阻不同于其他地區(qū)，應(yīng)進(jìn)一步完善相關(guān)理論。

2.3 風(fēng)電機(jī)組雷擊電磁暫態(tài)過程

雷擊電磁暫態(tài)過程的產(chǎn)生機(jī)制是：當(dāng)風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊后，其葉片、機(jī)艙、塔筒和接地系統(tǒng)會將巨大的雷電流引入大地，但在該暫態(tài)過程中，雷電流因此快速變化的特性而感應(yīng)出快速變化的電磁場，而此巨大的磁場又會以感應(yīng)的形式作用于風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的正常運(yùn)作，對風(fēng)電機(jī)組中的電子設(shè)備產(chǎn)生威脅。

針對風(fēng)電機(jī)組的雷擊機(jī)制，專家學(xué)者們進(jìn)行了一系列的探索。Ametani A[20]的研究以風(fēng)電機(jī)組雷擊后機(jī)艙內(nèi)的電磁場數(shù)值為載體，進(jìn)而得出機(jī)艙前部的磁場較大的結(jié)論，那么該部位在防雷措施規(guī)劃時應(yīng)給予重點(diǎn)的保護(hù)措施。中國電力科學(xué)研究院的趙海翔[21]和臺灣學(xué)者Jheng-Lun Jiang[22]構(gòu)建了風(fēng)電機(jī)組雷擊下的“塔筒—傳輸線”模型，針對塔筒、電纜芯線以及信號電纜屏蔽層間的電容耦合進(jìn)行了充分的考量，進(jìn)而找出過電壓在各組建上的分布，從而可針對降低過電壓給出建設(shè)性的意見。北京交通大學(xué)的王曉輝[23]提出了π 型等值電網(wǎng)絡(luò)這一模型，并充分將土壤的電離作用考慮在內(nèi)，分析了電纜和塔筒上的過電壓。中國氣象科學(xué)研究院的李丹[24]利用閃電先導(dǎo)二維隨機(jī)模式模擬分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)遭受雷擊的特點(diǎn)，并建立三維自持發(fā)展模式，對風(fēng)電機(jī)組在雷擊后的過程以及特點(diǎn)進(jìn)行研究。針對風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊后的過電壓問題，學(xué)者們提出了一些過電壓抑制措施，如安裝浪涌保護(hù)器（SPD）[25]，其工作原理類似于避雷器。

風(fēng)電機(jī)組雷擊后塔筒內(nèi)電磁場的分布以及過電壓保護(hù)措施缺乏系統(tǒng)研究，相關(guān)問題需要進(jìn)行更深層次的探討。

3 風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)技術(shù)研究方向

基于現(xiàn)有關(guān)于風(fēng)電機(jī)組防雷的研究成果，結(jié)合山區(qū)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)、地理環(huán)境、存在的問題，提出研究方向如下：

①山區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電先導(dǎo)物理機(jī)制與影響因素的研究?？紤]風(fēng)電機(jī)組之間的互相屏蔽及旋轉(zhuǎn)因素對風(fēng)電機(jī)組接閃放電過程的影響，為改善山區(qū)風(fēng)電機(jī)組的引雷能力提供理論支撐。

②山區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷擊葉片損壞機(jī)理的分析。建立雷擊過程中葉片內(nèi)部電弧熱效應(yīng)、電磁效應(yīng)模型，探究風(fēng)機(jī)葉片損壞機(jī)理，為優(yōu)化設(shè)計葉片結(jié)構(gòu)，降低葉片雷擊損壞概率提供理論支撐。

③山區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷擊電磁暫態(tài)模型與過電壓防護(hù)。建立適用于山區(qū)的雷擊風(fēng)電機(jī)組整機(jī)電磁暫態(tài)模型，計算暫態(tài)過程中的物理場，提出抑制措施，從而抑制過電壓對風(fēng)電機(jī)組的危害。

4 結(jié)論

①山區(qū)風(fēng)電場情況不同于平原地區(qū)，山區(qū)雷擊危害更加嚴(yán)重，遭受雷擊風(fēng)險更大，機(jī)組安裝維護(hù)成本更高、難度更大，因此對山區(qū)風(fēng)電機(jī)組的雷電防護(hù)提出了比平原風(fēng)電場更高的要求。

②目前山區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)的研究工作主要從雷電先導(dǎo)發(fā)展機(jī)理、風(fēng)電機(jī)組直擊雷防護(hù)方法和風(fēng)電機(jī)組雷擊電磁暫態(tài)過程三個方面展開，研究成果為山區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)提供了重要的理論支持。但現(xiàn)有理論模型和實驗方法，未充分考慮山區(qū)風(fēng)電機(jī)組實際運(yùn)行情況以及環(huán)境因素，應(yīng)完善相關(guān)理論模型與實驗平臺，以滿足實際需求。

③基于現(xiàn)有關(guān)于風(fēng)電機(jī)組防雷的研究成果，考慮山區(qū)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)、地理環(huán)境、以及雷電情況，本文針對性地提出了研究方向，相關(guān)方向具有良好的參考價值及研究前景。