吳永鵬 王甜甜 于雪原 楊航 何相勇

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-9236

作者簡(jiǎn)介：

吳永鵬（1992—），男，工程師，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣設(shè)計(jì)。

于雪原（1983—），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣設(shè)計(jì)。

通信作者：何相勇（1980-），男，博士，研究員，研究方向?yàn)槔纂娂捌浞雷o(hù)設(shè)計(jì)。E-mail：he.xiangyong@airborne-em.com。

摘要：針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)材機(jī)艙接閃系統(tǒng)防護(hù)效能評(píng)估中存在的滾球法適用受限、被保護(hù)對(duì)象結(jié)構(gòu)與分布復(fù)雜的問題，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)雷電環(huán)境特點(diǎn)，建立了兩種接閃設(shè)計(jì)方案的數(shù)值模型，計(jì)算了多種先導(dǎo)起點(diǎn)位置條件下的電場(chǎng)分布；從表面電場(chǎng)、附著區(qū)域及等電勢(shì)覆蓋區(qū)域3個(gè)關(guān)鍵影響因素出發(fā)，比較了兩種設(shè)計(jì)方案的防護(hù)效果，結(jié)果表明該方法能夠更加準(zhǔn)確評(píng)估防護(hù)效能，可有效支持復(fù)雜系統(tǒng)的雷電防護(hù)的精細(xì)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：防護(hù)效能?評(píng)估方法?接閃系統(tǒng)?風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

中圖分類號(hào)：TK83文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：J???文章編號(hào)：

隨著新能源產(chǎn)業(yè)，特別是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)入集約增效發(fā)展階段，風(fēng)電系統(tǒng)更加安全、高效運(yùn)行問題日益重要，以適應(yīng)風(fēng)電成本快速下降的趨勢(shì)，因此更大的風(fēng)機(jī)單機(jī)容量、更長(zhǎng)更輕更廉價(jià)的復(fù)材葉片、更高的更輕的復(fù)材塔筒[1]被更大范圍的采用。與此同時(shí)，風(fēng)電項(xiàng)目多新建在沙漠戈壁、山地高原等環(huán)境惡劣低成本區(qū)域[2-3]，以進(jìn)一步降本增效。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果[4]，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與風(fēng)電場(chǎng)所處位置特征，雷擊是影響風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行、易造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失的重要威脅。

風(fēng)電設(shè)備與項(xiàng)目場(chǎng)景雙重變化，對(duì)風(fēng)機(jī)的雷電防護(hù)研發(fā)提出了更多挑戰(zhàn)：（1）設(shè)備方面，機(jī)艙從金屬轉(zhuǎn)為玻璃鋼或復(fù)合材料，燒蝕、熔穿和分層等雷擊損傷也更加嚴(yán)重；復(fù)合材料艙體對(duì)雷電間接效應(yīng)危害的保護(hù)作用不足；（2）設(shè)計(jì)方面，風(fēng)電機(jī)組的防護(hù)主要通過葉片接閃器/導(dǎo)流條/銅網(wǎng)等措施，并通過將葉片等效為避雷針從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)艙的直擊雷防護(hù)，這種防護(hù)方法在機(jī)艙防護(hù)上存在遺漏之處；在機(jī)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(shè)計(jì)方案中，由于機(jī)艙避雷針和其他氣象設(shè)備組合使用，需要盡量降低對(duì)氣象設(shè)備的影響；（3）效能評(píng)估方面，機(jī)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(shè)計(jì)規(guī)范》（GB?50057—2010）滾球法評(píng)估保護(hù)范圍的上限120?m（超高部分認(rèn)為不具備防護(hù)效能），且復(fù)合材料艙體的雷電電磁感應(yīng)效應(yīng)更為復(fù)雜[5，6]，使得防護(hù)評(píng)估的難度變大。

綜上，采用靜電場(chǎng)法對(duì)避雷針及機(jī)艙尾部的雷擊附著特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以接閃效率、防護(hù)范圍、分流特性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，開展風(fēng)機(jī)機(jī)艙雷電防護(hù)效能評(píng)估研究，可為提供防護(hù)效能提供理論與仿真支持，以及為后續(xù)超高風(fēng)電機(jī)組的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考，具有重要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義。

1 ?兩種新型避雷針設(shè)計(jì)方案

目前，以環(huán)氧樹脂為基體的玻璃鋼（GFRP）絕緣材料為主的風(fēng)機(jī)機(jī)艙罩，多使用機(jī)艙內(nèi)部的金屬法拉第籠結(jié)構(gòu)作為引流導(dǎo)體，相比于增設(shè)獨(dú)立的引下線系統(tǒng)，這種防護(hù)設(shè)計(jì)更加高效、低成本更低。

本文提供了兩種新型的避雷針設(shè)計(jì)方案，均采用復(fù)材艙體下埋金屬法拉第籠結(jié)構(gòu)+氣象站避雷針方案：方案一如圖1（a）所示，矩形的框式結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置一根垂直的避雷針，矩形框內(nèi)安裝氣象站設(shè)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(shè)置三根避雷針，分布在兩側(cè)，避雷針附近安裝氣象站設(shè)備，底端及引下線安裝方式與方案1相同。兩種方案中機(jī)艙與外部形狀大體相當(dāng)。

2 ?模型構(gòu)建與仿真方法

2.1 ?雷電仿真模型構(gòu)建

影響避雷系統(tǒng)防護(hù)效能的因素主要包括風(fēng)場(chǎng)所在地的雷電流平均強(qiáng)度，避雷系統(tǒng)表面在雷電環(huán)境中感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度分布，附著點(diǎn)起始先導(dǎo)競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)對(duì)其余位置的保護(hù)情況。本文充分考慮3種因素，構(gòu)造風(fēng)場(chǎng)雷電環(huán)境。

2.1.1 風(fēng)場(chǎng)的雷電流平均強(qiáng)度及其雷擊距

雷擊距的定義是首次雷擊時(shí)先導(dǎo)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(tǒng)雷電防護(hù)效能的重要因素。當(dāng)一個(gè)階梯先導(dǎo)發(fā)展接近雷擊距時(shí)，它將被吸引到避雷系統(tǒng)上，即雷擊距就是被評(píng)估的避雷系統(tǒng)的滾球半徑[7]。一般認(rèn)為雷擊距與雷電流幅值關(guān)系滿足：

式（1）中：、b均為常數(shù)。本研究選取IEEE規(guī)定的擊距參數(shù)[8]，其中b=0.65，=8。同時(shí)，用棒狀電極模擬下行先導(dǎo)頭部，電極電壓取空氣中棒間隙的負(fù)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(jì)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(tǒng)表面感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度分布

下行先導(dǎo)在避雷系統(tǒng)表面感應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度是上行先導(dǎo)發(fā)展重要的影響因素。受雷電下行先導(dǎo)以及雷云背景電場(chǎng)的影響，當(dāng)下行先導(dǎo)向下發(fā)展接近大地時(shí)，風(fēng)機(jī)及其避雷系統(tǒng)附近空間/表面的電場(chǎng)強(qiáng)度抬升和畸變，電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)在風(fēng)機(jī)及其避雷系統(tǒng)表面曲率半徑較小的位置率先達(dá)到起始放電場(chǎng)強(qiáng)，觸發(fā)上行先導(dǎo)。根據(jù)雷電上行先導(dǎo)發(fā)生特性，存在大范圍強(qiáng)電場(chǎng)的區(qū)域、風(fēng)機(jī)機(jī)艙罩及其接閃器表面場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)的位置，觸發(fā)上行先導(dǎo)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(jī)艙系統(tǒng)的電場(chǎng)分布，本文對(duì)電場(chǎng)分布進(jìn)行歸一化處理，見式（3）：

式（3）：為機(jī)艙系統(tǒng)上的電場(chǎng)強(qiáng)度，單位為kV/m；為機(jī)艙系統(tǒng)上的電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值，單位為kV/m；為機(jī)艙系統(tǒng)上的電場(chǎng)強(qiáng)度的最小值，單位為kV/m；為機(jī)艙系統(tǒng)上的相對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度，其值范圍在0～1之間。

綜上所述，這些表面場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)的區(qū)域可以劃為附著區(qū)[8]。對(duì)于風(fēng)機(jī)及其避雷系統(tǒng)，良好的防護(hù)效果要求附著區(qū)集中于避雷系統(tǒng)，且在機(jī)艙上不存在附著區(qū)。

2.1.3?先導(dǎo)競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)的保護(hù)效應(yīng)

機(jī)艙及其避雷系統(tǒng)表面附著區(qū)出現(xiàn)起始先導(dǎo)時(shí)，由于電荷持續(xù)向空中釋放，附著區(qū)的電勢(shì)相對(duì)下降；在雷電下行先導(dǎo)影響下，初始先導(dǎo)持續(xù)生長(zhǎng)，直至形成長(zhǎng)度2～10?m長(zhǎng)的穩(wěn)定先導(dǎo)。在這個(gè)先導(dǎo)生長(zhǎng)的過程中，會(huì)抑制周圍先導(dǎo)的產(chǎn)生[9]。即附著區(qū)附件的起始先導(dǎo)競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)會(huì)對(duì)其余位置形成保護(hù)。在分析復(fù)雜的風(fēng)機(jī)避雷系統(tǒng)雷電防護(hù)效能時(shí)，需要考慮在附著區(qū)形成先導(dǎo)的條件下的等電勢(shì)面的覆蓋的范圍，避雷系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)的防護(hù)效能取決于防護(hù)米娜覆蓋是否足夠大、足夠全面。

2.2 ?附著點(diǎn)仿真的電極設(shè)置

將機(jī)艙放在整個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中考慮時(shí)，前端葉片上的雷電保護(hù)裝置（如葉片接閃器）可以對(duì)葉片和機(jī)艙頭部起到保護(hù)作用，即來自機(jī)艙正面和上面的下行先導(dǎo)，優(yōu)先附著在葉片上。因此在選擇附著點(diǎn)電極位置時(shí)，全面考慮可能的雷擊角度，本文在建立機(jī)艙接閃仿真模型時(shí)，以避雷針底部表面中心位置為原點(diǎn)，向上為Z軸，水平向葉片方向?yàn)閄軸。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(jié)果與討論

3.1 ?表面電場(chǎng)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(jì)算所得的兩種避雷針方案下機(jī)艙與避雷系統(tǒng)的表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。分析表明：（1）當(dāng)電極位于θ=0°，φ=0°時(shí)，高強(qiáng)度電場(chǎng)區(qū)域分布主要集中在機(jī)艙頂部避雷針上，隨著電極位置的改變，電場(chǎng)強(qiáng)度分布逐漸分散；（2）綜合分析多種電極位置下的高強(qiáng)度電場(chǎng)分布區(qū)域，在兩種設(shè)計(jì)方案中，均集中在避雷針頂部，風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速風(fēng)向儀邊緣的尖角結(jié)構(gòu)處，即使隨電極位置變化，電場(chǎng)強(qiáng)度有所變化，但是這些位置的電場(chǎng)強(qiáng)度仍遠(yuǎn)大于機(jī)艙尾部的電場(chǎng)強(qiáng)度。這些計(jì)算結(jié)果表明，按照高強(qiáng)度電場(chǎng)區(qū)域優(yōu)先接閃的判據(jù)，兩種設(shè)計(jì)方案中的避雷針都能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)艙的保護(hù)。

3.2 ?附著區(qū)域分布

統(tǒng)計(jì)兩種避雷針設(shè)計(jì)方案的機(jī)艙系統(tǒng)中關(guān)鍵位置標(biāo)記，并統(tǒng)計(jì)其歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值，如圖6所示。圖6（a）為避雷針方案設(shè)計(jì)1不同角度下關(guān)鍵位置處歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度最大值統(tǒng)計(jì)圖，圖6（b）為避雷針方案設(shè)計(jì)2不同角度下關(guān)鍵位置處歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度最大值統(tǒng)計(jì)圖。

由圖6（a）可知，方案1中不同工況時(shí)垂直避雷針上的歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度為0.67左右，然而風(fēng)速儀在不同工況下的歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度近似為0.06，風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速風(fēng)向儀在不同工況下的歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度更小，僅為0.03左右，均大于機(jī)艙尾部左右兩側(cè)的歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度最值0.02，這說明方案1的避雷針設(shè)計(jì)，可以有效的防護(hù)上邊的氣象設(shè)備以及機(jī)艙尾部。

由圖6（b）可知，方案2中不同工況時(shí)，三根避雷針上的歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度最值分別為0.78、0.75、0.76左右，風(fēng)速儀、分向標(biāo)的歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度近似為0.15，風(fēng)速風(fēng)向儀上邊電場(chǎng)僅為0.06，遠(yuǎn)大于機(jī)艙尾部左右兩側(cè)的歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度最值0.005，這說明方案2的避雷針設(shè)計(jì)，相比于方案1對(duì)機(jī)艙尾部的防護(hù)更優(yōu)，但是考慮到避雷針上的各種氣象設(shè)備，方案1的設(shè)計(jì)效果明顯要優(yōu)于方案2。

3.3 ?等電勢(shì)覆蓋區(qū)域分布

圖7為兩種方案在電極位于θ=0°，φ=0°、30°、60°位置時(shí)機(jī)艙空間等勢(shì)面分布；圖8兩種方案在電極位于φ=0°，θ=0°、30°、60°位置時(shí)機(jī)艙空間等勢(shì)面分布。

比較圖8兩種避雷針方案的空間等勢(shì)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(fā)現(xiàn)方案1對(duì)機(jī)艙前后的保護(hù)范圍略大，對(duì)比圖8種避雷針方案的空間等勢(shì)面分布，方案2 這種H形框架上設(shè)置三根避雷針對(duì)機(jī)艙左右兩側(cè)的防護(hù)范圍大于方案1。

3.4 ?防護(hù)效果的比較

根據(jù)表面電場(chǎng)分布、附著區(qū)域分布、等電勢(shì)覆蓋區(qū)等因素，得出的主要結(jié)論如下：（1）電場(chǎng)強(qiáng)度高的位置主要集中在機(jī)艙頂部避雷針上，隨著先導(dǎo)位置的改變，電場(chǎng)分布逐漸分散，兩種方案均能滿足基本的雷電防護(hù)要求；（2）基于玻璃鋼機(jī)艙的實(shí)際安裝結(jié)構(gòu)，分析了對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)位的保護(hù)情況，方案1設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)艙上安裝的氣象設(shè)備防護(hù)效果更好；但是方案2設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)艙尾部的防護(hù)更優(yōu)；（3）從等電勢(shì)面的保護(hù)范圍看，方案1對(duì)機(jī)艙前后的保護(hù)范圍略大，綜合葉片保護(hù)范圍看，方案1的保護(hù)效果略好。

4 ?結(jié)語

本文針對(duì)某機(jī)艙兩種避雷針設(shè)計(jì)方案，建立了雷電與機(jī)艙系統(tǒng)模型，仿真研究了模擬先導(dǎo)（電極）在不同位置時(shí)，作用于各避雷針、風(fēng)速設(shè)備以及機(jī)艙尾部結(jié)構(gòu)上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，并以此為依據(jù)，研究了其附著區(qū)及其等電勢(shì)覆蓋區(qū)，通過對(duì)比評(píng)估了兩種接閃系統(tǒng)的防護(hù)效能。本文研究的接閃系統(tǒng)效能評(píng)估方法，可以有效支持復(fù)雜系統(tǒng)的雷電防護(hù)的精細(xì)化設(shè)計(jì)，有效解決傳統(tǒng)滾球法設(shè)計(jì)的不足。

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