云南省元江县羊岔街风电场雷击风险评估

杨 波,杜福生,严永全

(玉溪市气象局，云南 玉溪 653100)



云南省元江县羊岔街风电场雷击风险评估

杨 波,杜福生,严永全

(玉溪市气象局，云南 玉溪 653100)

为准确把握元江县羊岔街风电场项目附近地域雷电活动规律，科学的指导防雷设计、施工，以减少或避免建(构)筑物遭受雷击而引起雷电灾害，有必要进行雷击风险评估。本文通过对地质地形、雷电活动等因素进行分析，力图通过雷击风险评估，寻找存在的主要雷击风险，得出风电场雷电灾害的特点及风电场各组成部分的雷击概率，为项目防雷设计提供参考。

元江县羊岔街风电场；雷电活动；防雷设计

0 引言

雷击风险评估[1-3]是根据建设项目所在地雷电活动时空分布特征及其灾害特征，结合现场情况进行分析，对雷电可能导致的人员伤亡、财产损失程度与危害范围等方面的综合风险计算，从而为项目选址、功能分区布局、防雷类别(等级)与防雷措施确定、雷灾事故应急方案等提出建设性意见的一种评价方法。通过雷击风险评估可为评估对象提供雷电防护的科①学设计、灾害风险控制、经济投资、应急管理等方面服务，保证防雷工程安全可靠、技术先进、经济合理。雷击风险评估是开展综合防雷的必经程序，也是实现科学防雷的必要条件，体现了预防为主，防治结合的理念。

1 风电场项目特点

1.1 地理位置概况

云南省元江县羊岔街风电场所处区域为典型高原山区地形，西北高、东南低，山脉为西南东北走向，属南温带气候，地理坐标约为北纬23°32′20″～23°40′16″和东经101°42′19″～101°52′26″，规划场址由南北两个片区构成，规划场址山脊总长约35 km，布机区域海拔在1 890～2 400 m，场址区面积约为100 km2。区内集电线路拟采用8回35 kv架空线路，设置110 kv的升压站两座。

1.2 土壤电阻率

在防雷装置设计施工中，土壤电阻率是一个重要且关键的参数，它对雷击选择性会形成关键影响，该参数的准确度直接关系到防雷装置设计过程中的科学设计，也可能极大的影响到建设单位投资费用。根据玉溪市雷电中心实测，元江县羊岔街风电场所在地土壤电阻率分布较为均匀，土壤电阻率在900～3 200 Ω·m，属于高土壤电阻率。采集时土壤较湿润(相对湿度89%)，取季节系数m=12，调整后的土壤电阻率为3 150 Ω·m。

1.3 设备设施及其分布

云南省元江县羊岔街风电场安装82台风力发电机组，工程装机容量为200 mw，南片区和北片区分别为49台与33台。风力发电机组塔筒高度为78 m，桨叶长度49 m，风力发电机组的有效高度127 m，安装地元江县年雷暴日数60.9天。

南、北片区风电场各设一座110kv升压变电站，风电场所有风机的电能经变电站升压后送入外部电网。110 kv升压变电站包括主变场、生产楼(含35 kv配电室)、110 kvGIS室，进出线架构、电容器场和事故油池、避雷针等。

生产楼是整个风电场的运行控制中心[3,7]，同时也是电场工作人员的办公场所。生产楼内主要设有中央控制室、继电保护室、计算机室、直流盘室、蓄电池室、试验室。辅助生产楼是电场工作人员的生活、活动场所；辅助生产楼内主要设有会议室、宿舍、餐厅及健身房。辅助生产楼附近还布置有车库、泵房、生活—消防水池等辅助设施。

2 雷电活动规律

2.1 北片区所在区域雷电监测网监测的闪电活动规律分析

2.1.1 北片区闪电位置分布

经查阅云南省雷电监测网监测资料，并将雷电数据进行统计。从图1 2012～2014年元江县羊岔街风电场项目北片区5 km范围内闪电位置分布图看出，2012～2014年元江县羊岔街风电场项目北片区所在区域5 km范围内雷击大地次数约为1 km内33个、 3 km内211个、 5 km内516个闪电，经过计算雷击大地密度为2.19次/(km2·年)，雷电活动较频繁[6]。

说明：“-”表示负闪电，“+”表示正闪电. Description: “-” negative lightning, “+” positive lightning 图1 2012～2014年羊岔街风电场项目北片区5 km范围内 闪电位置分布图(闪电定位监测)Fig.1 Lightning location distribution map (lightning location monitoring) within a radius of 5 kilometers of the north area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

2.1.2 北片区闪电强度、次数分析

经统计计算，从图2、图3中可以看出，2012～2014年中元江县羊岔街风电场项目北片区5 km范围内共发生闪电516次，其中正闪电34次，负闪电482次，正负闪电比例为 1∶14。闪电强度最大出现在9月份，发生闪电最多次数在8月份，大部分雷电流幅值在40 kA以下。对于元江县羊岔街风电场项目北片区防雷保护等级而言，从经济合理的角度考虑，选择最大雷电流幅值为170 kA是可行的[6]。

图2 2012～2014年羊岔街风电场项目北片区5 km范围内 闪电强度分布图(闪电定位监测)Fig.2 Lightning intensity distribution map (lightning location monitoring) within a radius of 5 kilometers of the north area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

图3 2012～2014年羊岔街风电场项目北片区5 km范围内 闪电最大强度、闪电次数统计图(闪电定位监测)Fig.3 The maximum intensity of lightning and lightning frequency statistical chart (lightning location monitoring) within a radius of 5 kilometers of the north area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

2.1.3 北片区闪电活动月分布

查阅云南省雷电监测网监测资料，并将各月雷电数据进行统计。从图4中元江县羊岔街风电场项目北片区5 km范围内闪电月分布图可以看出，闪电主要出现在4～9月份，其中8月份出现的闪电为最多，8月份的闪电次数占所有闪电次数的比例为30%[6]。

图4 2012～2014年羊岔街风电场项目北片区 5 km范围内闪电月分布图Fig.4 Lightning monthly distribution map within a radius of 5 kilometers of the north area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

2.2 南片区所在区域雷电监测网监测的闪电活动规律分析

2.2.1 南片区闪电密度分析

经查阅云南省雷电监测网监测资料，并将雷电数据进行统计。从图5 2012～2014年元江县羊岔街风电场项目南片区5 km范围内闪电位置分布图看出，2012～2014年中元江县羊岔街风电场项目南片区所在区域5 km范围内雷击大地次数约为1 km内49个、 3 km内335个、 5 km内710个闪电，雷击大地密度为3.01次/(km2·年)，雷电活动较频繁。

说明：“-”表示负闪电，“+”表示正闪电。 Description: “-” negative lightning, “+” positive lightning 图5 2012-2014年羊岔街风电场项目南片区5公里范围内 闪电位置分布图(闪电定位监测)Fig.5 Lightning location distribution map (lightning location monitoring) within a radius of 5 kilometers of the south area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

2.2.1 南片区闪电强度、次数分析

经统计计算，从图6、图7中可以看出，2012-2014年元江县羊岔街风电场项目南片区5公里范围内共发生闪电710次，其中正闪电24次，负闪电686次，正负闪电比例为 1∶29。闪电强度最大出现在8月份，发生闪电最多次数在6月份，大部分雷电流幅值在40kA以下。对于中广核玉溪元江羊岔街风电场项目南片区防雷保护等级而言，从经济合理的角度考虑，选择最大雷电流幅值为220KA是可行的[6]。

图6 2012～2014年羊岔街风电场项目南片区5 km范围 内闪电强度分布图(闪电定位监测)Fig.6 Lightning intensity distribution map (lightning location monitoring) within a radius of 5 kilometers of the south area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

图7 2012～2014年羊岔街风电场项目南片区5 km范围 内闪电最大强度、闪电次数统计图(闪电定位监测)Fig.7 The maximum intensity of lightning and lightning frequency statistical chart (lightning location monitoring) within a radius of 5 kilometers of the south area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

2.2.2 南片区闪电活动月分布

查阅云南省雷电监测网监测资料，并将各月雷电数据进行统计。从图8中中广核玉溪元江羊岔街风电场项目南片区5 km范围内闪电月分布图可以看出，闪电主要出现在4～9月份，其中6月份出现的闪电为最多，6月份的闪电次数占所有闪电次数的比例为34%。

图8 2012～2014年羊岔街风电场项目南片区 5 km范围内闪电月分布图

Fig.8 Lightning monthly distribution map within a radius of 5 kilometers of the south area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

综合以上云南省雷电监测网数据分析结果，羊岔街风电场北片区雷击大地密度为2.19次/(km2·年)，羊岔街风电场南片区雷击大地密度为3.01次/(km2·年)，对于元江县羊岔街风电场项目雷击风险评估和防雷保护等级而言，为客观地反映所评估建(构)筑物的雷击风险程度，应采用用防雷技术规范计算公式按雷暴日计算出的雷击大地密度作为评估依据，使评估结果更加客观、科学、准确。

3 风电机组雷击损害特点及评估

3.1 风电机组雷击损害特点

山区的云体在风力的作用下往往发生偏斜，使正电荷接近山顶，因此，山区正极性的云地闪电较多；同时，雷云沿山腰飘动，也增加了发电机组遭受雷击的机率。风力发电机组的有效高度127 m，由于其结构特点，易受到直接雷击，沿输电网络侵入的雷电波也会给风机的正常运行产生较大影响。直击雷会造成风力叶片破裂，电机绝缘击穿、控制元件烧坏等事故[5]。

3.2 风电机组雷击风险评估

3.2.1 计算每年风力发电机组闪击次数

据玉溪市元江县35年的雷暴资料，元江县年平均雷暴日有60.9 d.

Td=60.9(d)

每km2每年平均地闪密度

Ng≈0.1Td=0.1×60.9=6.09次/(km2· a)

据工程设计资料，风力发电机组塔筒高度78 m，桨叶长度49 m，则风力发电机组的有效高度

h=127(m)

孤立建筑物遭受直击雷时的等效雷击截收面积

Ad =9πh2=9×π×1272≈455806(m2)

因风力发电机组位于山上，环境因子

Cd=2

建筑物遭受直击雷的年平均数

Nd=Ng×Ad×Cd×10-6=6.09×455806×2×10-6≈5.55(次/a)

3.2.2 计算风力发电机组雷击损害概率

无LPS防护，PB=1，无户外人员活动RA=0。

雷击造成的风险分量计算：

根据GB/T 21714.2—2008，风力发电机组本身(不含控制系统)雷击损害时的风险计算公式为：

RB=Nd×PB×LB

LB=HZ×rP×rf×Lf

根据GB/T 21714.2—2008之附录c的规定：

HZ——特殊伤害，这里为无，因此等于1；

rP——火灾防护，这里为无，因此等于1；

rf——火灾风险，这里为一般风险，等于10-2；

Lf——风力发电机组本身雷击损害时的损失，这里为有，等于10-1；

故雷击风力发电机组时，风力发电机组的损失

LB=HZ×rP×rf×Lf=1×1×10-2×10-1=10-3

无LPS防护，雷击致实体损害的概率PB=1，雷击风力发电机组本身的损害风险

RB=Nd×PB×LB =5.55×1×10-3=5.55×10-3

与RT =10-3比较，RB>RT，需采取防护措施[1，5，7，8]。

4 评估结论

从以上分析计算可看出，雷击风力发电机组本身的损害风险RB大于风险容许值RT，应根据相关规范采取风力发电机组的雷电防护措施[7]：

(1)风电机组、主变压器等的雷灾损害概率值均超过IEC标准规定的可承受值[9,10]，说明项目设备设施易受雷击而损坏，其中，电源、信号线路的雷击是主要灾害的主要来源。防雷设计时，对进出建筑的电源、信号线路，需要采取埋地敷设方式布线，同时根据弱电项目防护等级在线路安装多级SPD进行保护。

(2)在距建筑50 m范围产生邻近雷击时，建筑物处无衰减磁场强度超过国家规范要求的800(A/m)，会造成计算机网络、信息控制系统等弱电设备的损坏。对生产控制楼等设备的机房和控制室，应采取屏蔽措施。

(3)风电场区域土壤电阻率分布均匀，平均土壤电阻率为3 150 Ω·m，属高土壤电阻率范围，接地制作比较困难。由于土壤电阻率很高，雷电产生时静电感应会对埋地电缆形成较大的损害。

(4)风电场区域场址高差达510 m，且两个片区相隔较远，由于地形抬升作用形成的对流云带来的雷电活动相应增多。风机选址均在强风区，雷云沿这些路径活动，更易对风机造成影响。综上所述，风电场雷暴日较周边地区高，更易受到雷击，且区域落雷概率高、闪电强度大；邻近雷击产生的磁场会对灵敏设备造成影响；风电机组、主变压器的雷灾概率较大，整个项目的防护重点是升压站主变压器、风电机组及场内电源和信号传输线路。

综上所述，元江风电场雷暴日较周边地区高，更易受到雷击，且区域落雷概率高、闪电强度大；邻近雷击产生的磁场会对风电场及相关配套设备造成影响；风电机组、主变压器的雷灾概率较大，整个项目的防护重点是风电机组、升压站主变压器及场内电源和信号传输线路[5]。

[1]吴孟恒.雷击风险评估技术[M].气象出版社，2009.

[2]孙云.风电场防雷接地系统的施工工艺分析[J].应用能源技术，2012(11)：46-49.

[3]刘洋.浅谈风力发电设备的雷电灾害风险评估[C].电子制作，2014.

[4]许颖.变电所防雷保护的几个问题浅见[J].电网技术，2000，24(4)：12-25.

[5]刘菁.风电场雷击事故的分析及防范措施[J]科技广场，2009(9)：2010-2011.

[6]王惠，邓勇，尹丽云，等.云南省雷电灾害易损性分析及区划[J].气象，2007，33(12)：83-87.

[7]孙曙光.风力发电系统防雷方案分析与探讨[J].黑龙江科技信息，2010(3).

[8]张琦彬.风力发电机叶片雷击损害机理及有效防护[J].电子制作，2014，23.

[9]Global wind energy market report[DB/OL].2002-03.

[10]Expert group study on recommended practices for wind turbine texting and evaluation：lightning protection for wind turbine installations.

[11]彭超贤.云南雷电活动及易击点分析[J].云南电力技术，2008，36(2)：51.

[12]李兆华，刘平英.风电场雷击风险分析及防护措施研究[J].灾害学，2015.30(1)：51.

LIGHTNING RISK ASSESSMENT OF WIND FARM SHEEP BIFURCATED STREET IN YUANJIANG COUNTY OF YUNNAN PROVINCE

YANG Bo，DU Fu-sheng，YAN Yong-quan

(YuxiMeteorologicalBureau，Yuxi，653100，Yunnan，China)

In order to accurately grasp the law of lightning activity near Yangcha Street wind farm in Yuanjiang County，Scientific guidance for lightning protection design and Construction，it is necessary to carry out the risk assessment of lightning for reduce or avoid the damage caused by lightning.Based on the geological_terrain lightning and other factors were analyzed，this paper Trying to find the main lightning risk，probability of wind electric field of lightning disaster characteristics and wind electric field components，provide a reference for lightning protection design of the project.

wind farm Yangcha Street；Yuanjiang County；lightning activity；lightning protection design

2015-04-11；

2015-06-07．

P446

A

1001-7852(2015)03-0060-05