探讨多风机风电场的防雷布置与雷电屏蔽

山西龙源新能源有限公司 张彩宏

风电是一种可以再生的清洁能源，国内外对其重视程度越来越高，我国将风力发电作为发展新能源的重点。但是风电机组的机身高度以及装机容量最近几年持续加大，从而使得风电机组受到雷击的几率上升。对于风电发展来讲，其因雷击原因造成的经济损失很大程度地限制其发展。所以，为将雷电灾害的危害进行降低，需要找到一种防雷优化以及兼顾风机发电效益的方法，对风机容易受到雷击的环境以及影响风电场的防雷布置方式进行分析，有着非常重要的意义。

最近几年，雷电灾害破坏风电机组的情况是越来越严重，为了使得雷击风电场的几率进行降低，提出一种新型风机模型，从雷电先导出发并考虑叶片带电粒子的影响，以此来对击距范围进行计算。结合传统电气模型，来对多风机之间的关键以及屏蔽雷电的依据进行判断。根据这种方法来对风机间的屏蔽距离进行研究，并分析环境因素影响风电场屏蔽雷电的情况，结果说明风机间的屏蔽距离会受到环境因素的影响，比如空气密度越大、海拔越低，其屏蔽距离就会随之变大。

1 雷电屏蔽的几何模型

1.1 屏蔽原理

对于雷电先导，根据电气几何法，其击穿物体的距离进行放电时，把雷电参数与物体结构联系在一起，这样物体就能够得到雷电流幅值不同的暴露区域，以此来计算物体受到雷电绕击的情况[1]。其中，对于物体引雷的能力就是击穿的距离，其表示的是雷云先导放电头部到被击物体的距离。

本篇文章主要研究两风机间的屏蔽，并对屏蔽间距进行分析，如下图1所示，彩色的圆为叶尖接闪器在一定雷电流，旋转角度不同的情况下的击距圆，圆心在叶尖旋转画出的圆上，叶尖接闪器的击穿距离就是半径Rp，两风机间的距离用D 表示，Lf表示与风机在一定角度的水平屏蔽距离，由此可以得到：Lf=Rcosθ+Rp（1）。式中，风机叶片长度用R 表示，其与水平方向夹角用θ表示。

图1 多风机屏蔽模型

假如风机叶片是轴对称的运行方式，下行先导的方向是竖直向下的，那么两风机的击距圆在相交的时候，其会有一个重叠的距离，这个距离就是Ls，那么两风机受到雷击的次数N 有下面公式（2）计算得出：N=(4Lf-Ls)n（2），式中风机所处地方的等效雷击密度用n 表示。如果其击距圆没有相交，那么其雷击次数为：N0=4Lfn（3）。

通过公式（2）与公式（3）进行对比发现，N ＜N0这种情况一定有，即击距圆一定会相交，从而使得两者有互相屏蔽，以此对于雷击次数两者能够有效减少，这对于风电场的防雷有着重要的意义。当两风机间的距离对公式D＜Dmax=2Rcosθ+2Rp（4）的要求满足时，这两者会有屏蔽雷电的效果。式中两风机最大的屏蔽距离用Dmax表示，该公式也是屏蔽雷电的判断依据。

1.2 计算叶尖接闪器的击距

根据屏蔽雷电的判断依据可知，屏蔽雷电最大的距离和接闪器距离息息相关，为了对击距范围进行计算，需要先对风机周围电位分布情况通过模拟电荷法进行求取。通过对下行先导电荷分布进行模拟，其先导通道内的电荷密度为：

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，某点到头部之间的距离采取τ表示。雷云高度用H 表示，头部高度用Z0表示，单位是m。IP表示第一次回击时电流的大小，单位kA。

气溶胶等大带电粒子、小带电粒子与中性颗粒公式如下：

KnN表示颗粒和带电粒子相结合的系数，其值为2.9×10-6m3/s。粒子扩散率用d 表示，其值为1m2/s。μn-表示小的带电粒子迁移率，其值为1.5×10-4m2/(s·V)。μN+表示大的颗粒迁移率，其值为1.5×10-6m2/(s·V)。对于泊松方程电场强度以及电场电势均满足▽E→=-▽2Φ=e(n++N+)/ε0（9），式中ε0表示空气介电常数、其值为8.85×10-12F/m，元电荷的带电量用e 表示。

大部分雷击分为下行先导向下发展，上行先导起始，上下行先导连续。上行的发展见图2，图中背景电位用U1表示，畸变电位用U2表示，起始点和流注头部之间的长度采用ls表示，上行先导长度用l 表示。

图2 上行先导发展过程

当发展到第i 步的时候，其头部电位为：

在公式（10）中，x0表示程度系数，其值为0.75m，Estr代表的是流注区电场的强度，该强度的数值是400kV/m。E∞表代表的是先导稳态，其值为3×104V/m。先导头部新产生的电荷量由公式（11）表示。

先导所需电荷用qL表示，该电荷的数值为65μC/m，上行长度与公式（11）结合起来进行计算：l(i+1)=L(i)+ΔQ(i)qL（12），根据先导发展，架设在第n 步时上下行之间出现相遇而导致雷击发生。这个时候接闪器的引雷范围就是其流注发展和上行先导最远距离，定义为接闪器击距，通过公式Rp=l(n)+(Utip(n)-Ua(n))/Estr（13）进行计算。计算Rp的流程见图3。

图3 计算Rp 的流程

2 两风机最大屏蔽距离受到环境因素的影响

由图1能够知道，风机水平屏蔽距离和叶片角度息息相关，对于最大屏蔽距离受到环境的影响进行分析，为了防止出现0与90°这两种情况，分析时取旋转角度为45°，以此来对误差进行降低。1.5MW 风机的塔筒高和半径分别是70m 与2.5m，叶片长与内引下线半径分别是40m 与0.01m，雷电流幅值为60kA。

2.1 最大屏蔽距离和湿度、温度及压强的关系

因为流注区电场强度与环境因素有关，其关系如公式（14）所示。式中，空气压强用P 表示、单位是atm，标准大气下海平面压强用P0表示、数值为1atm，温度用T 表示、单位为K，标准大气下海平面温度用T0表示、数值为293K。空气相对密度用δ 表示，绝对湿度用γ 表示、单位为g/m3。

2.2 最大屏蔽距离和海拔高度的关系

对于空气相对密度和绝对湿度的测量，要数据精确需要用到特殊的仪器，所以公式（14）在实际应用中不是很方便，因为海拔高度与P、T 以及γ存在一定关系，所以对两风机间最大屏蔽距离能够根据当地海拔来近似计算：P=P0e-Hl/8（15）、T=T0-6HL（16）、γ=γ0e-Hl/3（17），在上述公式中γ0表示绝对湿度、其值为11g/m3，海拔高度用HL表示、单位km。

将公式15～17代入到公式（14）当中，能够得出海拔与流注区场强Estr的关系：Estr=9.18HL2-102.16HL+523.69，通过计算在雷电流为60kA 时，最大屏蔽距离会随着海拔的上升而出现降低的情况。

3 实验验证

对于最大屏蔽距离受到环境因素的影响规律进行验证，在我国某地开展对缩比风机模型放电试验，来对不同湿度的情况下接闪器的击距变化通过公式（4）能够得到最大屏蔽距离与湿度的关系进行验证。

试验原理图如图4所示，叶片选取角度为30与90°。因条件限制，主要分析起始受到湿度的影响，本篇文章主要在温度为30～32℃时选晴天与阴天进行击穿试验，晴天绝对湿度为18g/m3，阴天为25g/m3。

图4 实验原理图

对30°与90°叶片角度进行击穿试验，总共进行二十次，每次湿度条件都不同，并通过曝光来对击穿路径进行记录，以此来保证产生上行先导，并对击穿时电压进行记录。通过试验可知，击穿电压在绝对湿度为25g/m3时，要比绝对湿度在18g/m3时降低80kV 左右，这说明湿度越大、起始地越早，那么接闪器的击距就越大，根据公式（4）中能够看出，两风机最大屏蔽距离也会随之增大，试验结果和空气湿度增加而增大最大屏蔽距离结论是相符的。

4 分析风电场防雷的布置情况

本篇文章采取的风机是1.5MW，对于风电场的布置通过电气几何法进行分析。通过对叶片各角度的屏蔽距离和雷电流幅值，对风机间距进行确定。选择海拔H=0、常压与常温分别是P=1atm、T=298K，根据公式（1）来计算Lf在不同角度下的幅值关系。如两风机间距为4R、雷电流小于26kA，那么两风机间不能屏蔽，在26～40kA 间两风机某些叶片有屏蔽效果存在。在40kA 以上的时候，那么两风机叶片旋转角度在0～90°之间存在屏蔽效果。

还有对盛行风向进行考虑，因为风机叶片长时间与盛行风向的方向是垂直的，所以对于垂直盛行风向的风机雷电屏蔽要进行保证，因其对防雷的贡献是非常大的[2]。根据相关的研究表明[3]，建议垂直盛行风向距离最好不要超过10R。对于两风机受到气流的影响也要进行考虑，所以风机最好的距离是在盛行风向上4R～6R 之间，这个时候对于雷电幅值在26～60kA 以上都有屏蔽作用，这对于传统风机的不足能够很好的进行补充。

盛行风向上叶片所处的时间相对来讲比较短，哪怕是对风机的间距在盛行风向上进行增加，对于整个防雷布置来讲也不会有明显的影响[4]。所以在盛行风向上对风电场的间距进行确定时，首先对于后排风机不能受到前排风机尾流的影响进行保证，要尽量保障风电场效益。所以，其间距可以大于盛行风向的最大间距，简单来讲就是LP 要大于6R。

综上，本文通过电气几何法来对多风机雷电屏蔽进行分析，电气几何模型根据雷电上行先导，对背景电位畸变受到叶片周围粒子影响进行考虑，来对接闪器雷击距离进行计算，对于能够雷电屏蔽的判断依据公式提出，两风机之间的距离满足了D 小于最大屏蔽距离时，那么两风机间有雷电屏蔽效果存在。

对屏蔽最大距离的环境影响因素进行探讨，包括海拔、湿度、压强及温度。通过分析可看出，如果海拔较高、湿度较大、温度较低的地方，对于两风机要想互相屏蔽，就需对两风机之间的间距尽量的进行减少，以此才能达到屏蔽要求。本文选取的风机为1.5MW，对风电场布置间距通过防雷的角度以及击距包络弧水平最大距离进行分析，布置间距建议与盛行风向垂直间距在4R～6R 之间，与传统方法对比，其对间距范围的确定能够进一步的减小。