老尖山、大中山风电场2019年雷电活动特征分析

大姚云能投新能源开发有限公司 黄缚虎 管彦华 云南能源投资股份有限公司 段家华

云南省气象灾害防御技术中心 胡 颖 尹磊邦

雷电是造成风力发电机损坏最主要的自然灾害之一。云南风电资源非常丰富，同时云南高原山地风电场由于受高原气候、地质、环境、雷暴等因素的影响，风力发电机组的防雷一直是困扰整机厂商和业主的重要问题之一[1]。风电场每年每百台风力发电机组的雷击率在10%左右，造成风机系统设备、器件等损坏，会产生高昂的维修费用，同时还会造成机组停运影响发电[2]。按照收益率估算，每台风机至少需要运行20年才能避免亏损，需尽量避免因雷击造成的机组停电或维修事件发生，所以做好风电机组的防雷保护至关重要。通过分析风电场周边雷电活动的分布，找出最易遭受雷击的风电机组，加强防护、主动避让，可以很大程度上降低雷击风机造成的损失。

1 老尖山风电场2019年雷电活动时空分布

老尖山风电场位于云南省楚雄彝族自治州大姚县与姚安县交界的山脉，设计安装24台单机容量2.0MW的风力发电机组，装机规模为48MW，每台风力发电机组配套建设1台箱变，风机的轮毂高度为80米，叶轮直径为111米。同时建有一座110kV的升压站，24台风力发电机组通过箱变升压至35kV，通过2回35kV集电线路接入老尖山风电场110kV升压站。统计2019年全年二维闪电定位仪监测的老尖山风电场（经度101.51°，纬度25.59°）、大中山风电场（经度101.37°，纬度25.61°）半径10公里范围的地闪数据，结合地理信息数据，用数理统计、插值等方法分析风电场周边雷电活动情况。

1.1 雷电活动空间分布

2019年1 ～12 月期间老尖山风电场周边10公里范围内共发生地闪495次，其中负地闪480次，正地闪15次，最大地闪强度达到143.1KA。周边区域地闪密度在4～9.6次/km2.a，地闪强度在17.6～50.7KA之间，其中d1～d5号风机及升压站处于雷电高易发区，且雷击强度较大。d18～d24号风机处于雷电一般易发区，但雷击强度较大，也应加强防范。

据统计，2019年老尖山d1～d5号风机及升压站周边500m范围内在7月18日、8月3日、8月22日有地闪发生，强度最大地闪为8月22日发生在升压站附近的地闪，达到59.6KA；d6～d12号风机周边500m范围在5月27日、7月24日、8月3日有地闪发生，强度最大地闪为7月24日发生在d6号风机附近地闪，达到74.3KA；d14～d17号风机周边500m范围在5月27日、8月3日有地闪发生，强度最大地闪为8月3日发生在d17号风机附近地闪，达到30.9KA；d18～d24、d13号风机周边500m范围在5月27日、8月3日有地闪发生，强度最大地闪为9月20日发生在d13号风机附近地闪，达到55.5KA。

1.2 雷电活动时间分布

从图1可看出，区域周边10公里范围内地闪活动集中发生在8月，高达270次，占全年总闪次数的55%左右。地闪强度分布相对平均，集中在30～40KA之间。3月平均强度相对较大，达到50KA。2月、3月闪电活动偶有发生，以正闪为主，正闪平均强度较大，一旦发生雷电活动，造成雷击灾害的风险也较大。

从图2可看出，地闪活动有两个高峰时段，高峰时段在下午15～16时左右，地闪次数达到168次。次高峰时段在夜间2时～3时。1时雷电开始增多，2时达到最大值31次。地闪低谷时段为凌晨4时至中午11时，该时段内基本无闪电发生。平均地闪强度最大时区在晚间22～23时、凌晨3～4时，该时段闪击次数相对较少，但雷击强度较大。雷暴云的发展与热气团在不稳定环境中的对流抬升有关，地闪活动日分布的该特征是由于太阳辐射在中午达到最强，下垫面升温明显，层节易不稳定，增加了局地热对流的发生机率。日落后太阳辐射锐减，对流消散明显，地闪活动相应减少。夜晚受大气逆辐射的影响，地闪活动会出现另一个高峰期。

2 大中山风电场2019年雷电活动时空分布

大中山风电场位于云南省楚雄州大姚县金碧镇东南面与姚安县东北面前场镇交界处的罗么乍箐头-松子山-大中山一带山脊部位。建设有20台单机容量为2.0MW的风力发电机组，每台风力发电机组配套建设1台箱变，风机的轮毂高度为80米，叶轮直径为93米和102米。同时在场区中部建设了一座110kV的升压站。

2.1 雷电活动空间分布

2019年1 ～12 月期间，大中山风电场周边10公里范围内共发生地闪385次，其中负地闪353次，正地闪32次，最大地闪强度达到135.1KA。据统计，地闪密度在4.6～6次/km2·a，地闪强度在29.5～40.3KA之间。D1～D13号风机处于雷电一般易发区，D14～D20号风机处于雷电中等易发区，但周边区域雷击强度也较大。2019年大中山风电场升压站、风机未遭受过雷击，区域周边3公里范围内在6月13日、7月3日、7月4日发生过雷击。总体来说，大中山风电场区域周边10公里范围内雷电活动一般密集。

2.2 雷电活动时间分布

从图3可看出，区域周边10公里范围内地闪活动集中发生在6月和8月，分别高达107次和104次，占全年总闪次数的55%左右。地闪强度分布相对平均，集中在30～40KA之间。2月平均强度相对较大，达到73KA。2月、3月闪电活动偶有发生，以正闪为主，正闪平均强度较大，一旦发生雷电活动，造成雷击灾害的风险也较大。

图4为大中山风电场区域地闪次数和强度的小时分布图，地闪活动有两个高峰时段，高峰时段在下午15～20时左右，15～16时地闪次数达到66次。次高峰时段在夜间1时～2时。0时雷电开始增多，12时达到最大值28次。地闪低谷时段为凌晨7时至中午12时，该时段内基本无闪电发生。平均地闪强度最大时区在晚间22～23时、凌晨4～5时，该时段闪击次数相对较少，但雷击强度较大。

3 结语

老尖山风电场和大中山风电场相比，2019年老尖山风电场周边10公里范围内雷电活动更为频繁，地闪更为密集，雷雨天气时遭受雷击的风险更大。风电场在选址时应充分考虑雷电环境，考虑雷电对风电场运行可能带来的潜在影响[3]。变被动防雷为主动避让，可以很大程度上降低雷击风机造成的损失。老尖山风电场2019年D1～D24号风机以及升压站周边500m范围内均有地闪发生，地闪强度最大达到74.3KA。其中，D11、D12、D16、D17号风机周边100m范围内有地闪发生。大中山风电场2019年D1～D20号风机周边500m范围内均无地闪发生。老尖山风电场2019年地闪最多月为8月，地闪高峰时段为15～16时，2月、3月闪电活动偶有发生，以正闪为主，但平均强度较大。大中山风电场2019年地闪最多月为6月、8月，地闪高峰时段为15～20时，2月平均强度相对较大，达到73KA。

通过分析风电场周边历史雷电活动分布情况，可找到风机雷电防护的薄弱环节，指出雷电防护的重点时段，同时有针对性加强防护，减少被雷电击中的概率。