风机叶片引雷效果评估及防雷间距研究

邓丽洁，李智标，张娟，孙磊

（珠海市公共气象服务中心，广东珠海 519000）

风机受到雷击给风机各部件带来损坏，尤其是在特殊地区的风电场，风机更容易受到雷击。随着风力发电的迅猛发展，风机受雷击的影响造成的损失日益严重。在风电场中，风机的防雷装置主要包含叶片接闪器和引下线两部分［1］。在风机受到雷击时，叶片接闪器吸引雷电后，由引下线将雷电引入大地，降低雷击的破坏作用。为维护风机的稳定、安全运行，保障风电场的安全生产，需要对风机叶片引雷效果进行有效评估，并对风机组间距进行计算，为此本研究以雷电先导理论为基础进行研究，期望能够为风机和风电场降低雷击、制定防雷措施提供参考。

1 雷电先导理论概述

1.1 雷击风机叶片上行先导起始过程

雷击风机叶片上行先导起始的过程：随着雷电下行先导至地面，叶片接闪器周围的电场强度逐渐增加至一定值时形成电晕放电和初始流注；在叶片接闪器区域内电荷达到一定值后，形成不稳定的上行先导；当头部流注区的能量足够大时，先导继续发展至稳定状态，能够使先导持续进行上行先导起始［2］。风机雷电先导过程如图1所示。

图1 风机雷电先导过程示意图

1.2 雷击静止叶片上行先导起始及不同大气条件的影响

在发电风机停运时，叶片和叶片接闪器处于静止状态。雷击静止叶片时由于下行先导生成的先导电荷，在风机叶片端部周边形成背景电势［3］。随着下行先导顶部和地面距离的接近，风机叶片端部周边的背景电势提高，流注长度增加。流注长度超过临界值以后，风机叶片端部上行先导开始变得稳定而且连续。

叶片端部初始注流区的电场强度和临界长度受到空气的压强、温度和湿度等条件的显著影响。在雷电发生条件不变的情况下，临界电势由于大气条件的改变而改变，在发生雷电的情况和大气条件相同时，临界电势不发生改变［4］。压强和温度发生改变，空气密度改变，初始注流区的场强和临界长度改变。湿度发生改变，大气中负电气体含量和叶片端部电离程度改变，初始注流区的场强和临界长度改变。压强增大、温度降低或者湿度增加，叶片端部注流区的场强变大，临界长度变短。

1.3 雷击运转风机叶片上行先导起始及影响因素

风机在工作时叶片是旋转的，其转速因工作环境、风机容量及制造厂家不同而存在差异。当雷击运转叶片时接闪时间为120～180μs时，风机叶片端部移动的距离只有几毫米，在这段时间可以将叶片和叶片接闪器看作静止状态，叶片角度也没有改变。随着下行先导的逐步发展，在风机叶片端部周边形成背景电势。与静止风机叶片相比，旋转时正离子均匀分布在其运动圆弧上，使正离子浓度降低，抑制了叶片上行先导的开始和随后的发展。随着风机叶片转速增大，叶片上行先导开始的时间比转速低时慢，而且其发展也足够充分。

在相同的雷电发生条件下，大气条件和风机叶片转速决定着旋转风机叶片的上行先导开始的背景电势。在发生雷电的情况和风机叶片转速相同、大气条件改变时，临界电势发生变化，叶片上行先导开始的背景电势变化［5］。在发生雷电的情况和大气条件相同时，旋转风机转速变化，叶片上行先导开始的背景电势变化。

2 发电风机叶片引雷效果评估

2.1 仿真模型参数及假设条件

以雷电先导理论为基础，使用有限元仿真软件COMSOL建模，进行风机叶片引雷效果评估。设置模型参数空间范围为700 m×700 m，风机轴线横坐标为350 m，塔筒高度为110 m，塔筒半径为2 m，叶片长度50 m，风机塔筒材料为钢筋混凝土，叶片材料为玻璃纤维增强树脂，接闪器材料为铜，接闪器位于叶片顶部，并且使用内部引下线和大地连接。

在假设发生雷电的情况下，大气条件、叶片转速和上行先导起始后发展的平均速度保持不变；在雷击的过程中，初始注流区的电场强度、临界长度和背景电势以及旋转风机叶片上行先导开始时的背景电势没有变化。分析在不同叶片角度、不同接闪器半径、风机组情况下，风机叶片受雷击后的背景电势变化，在叶片静止和旋转两种情况进行引雷效果评估。

2.2 不同叶片角度的引雷能力评估

叶片角度是指叶片与风机轴线的夹角，下行先导头部高度为600 m，选择0°、30°和60°共3种叶片角度进行试验研究，如图2所示。

图2 三种风机叶片角度

在雷击静止、旋转叶片和3种风机叶片角度的下行先导高度相同的情况下，叶片角度0°的背景电势最大。叶片角度0°的上行先导最先发生，叶片角度30°和60°随后发生，其叶片引雷能力逐渐减弱。不同叶片角度的背景电势分布试验结果如表1所示。

表1 不同叶片角度的背景电势分布 MV

叶片角度发生改变，静止和旋转风机叶片具有一致的引雷能力变化，随着叶片角度的增加，其引雷能力变弱。原因是叶片端部电晕还没有起始，而且下行先导高度相同和叶片角度不同的情况下，叶片端部和下行先导之间因为距离变化而造成电场分布变化，对叶片上行先导的开始和进一步的发展带来影响［6］。

2.3 不同接闪器半径的引雷能力评估

下行先导头部高度为600 m，使用半径20、40和80 mm圆形铜盘3种接闪器进行风机叶片引雷能力评估。在下行先导端部高度相同的情况下，接闪器半径越小，背景电势越大。叶片上行先导开始时，接闪器的半径越小，下行先导的高度越大，最先开始上行先导开始的越早，引雷能力越强。接闪器的半径越大，下行先导的高度越小，上行先导开始的越晚，引雷能力越弱［7］。不同接闪器半径的背景电势分布的试验结果如表2所示。

表2 不同接闪器半径的背景电势分布 MV

发生这种情况的主要原因是叶片端部的电晕还没有起始，下行先导端部高度一样时，其与不同半径的接闪器的叶片端部之间的电场不是均匀分布，气隙电场的分布不通过，使得背景电势的分布也不相同，接闪器周围电离的程度也有差异，影响着叶片上行先导的开始和随后的发展［8］。

2.4 风机组的引雷能力评估

为了进一步研究风电场实际的风机叶片引雷效果，需要对风机组情况下进行叶片引雷能力评估。以双风机为例，在叶片角度0°、叶片接闪器半径20 mm、下行先导头部高度600 m条件下，以单风机、双风机间距150 m和双风机间距200 m等3种状态进行背景电势分布试验，试验结果如表3所示。

表3 不同间距双风机的背景电势分布 MV

通过试验数据可知，风机下行先导高度相同情况下，背景电势的值，1＃风机要小于单风机，随着风机间距变小，背景电势降低。双风机之间相互屏蔽，使叶片端部和下行先导之间的电场发生变化，使风机的背景电势分布发生变化，给叶片上行先导的开始和其后的发展带来变化。

3 风机组防雷间距计算

3.1 风机组防雷间距研究方案

基于雷电先导理论开展模拟试验，进行风机组防雷间距研究，从而为风机、风电场的防雷能力提供参考。由于静止叶片的引雷能力要优于旋转叶片，因此采用静止叶片进行模拟试验。在试验中选取的叶片角度分别为0°、30°和60°，试验由单风机和双风机模拟试验两部分组成。通过试验数据和计算结果，研究在不同的叶片角度和风机间距下风机组的防雷间距的确定。

将1＃风机模型放置在高压电极的正下方，叶片角度0°时风机的接闪器和高压电极之间的气隙距离为1 m；保持高压电极位置不变，2＃风机模型位于相邻机组，并且其位置能够根据试验需要进行调整。叶片接闪器尺寸选用半径为0.5 mm，并且通过引下线进行接地。使用1.2／50 μs的不同极性电压进行试验，风机间距选用1.5、2、2.5和3L共4种距离（L＝0.7 m）。

3.2 风机组防雷间距试验方法

对于单风机采用升降法进行模拟试验，3种角度分别进行有效试验20次，每隔1 min试验一次，得到0°、30°和60°叶片角度时正负极性气隙的击穿电压。在相同的大气条件下，3种角度分别进行有效试验20次，每隔1 min试验一次，得到0°、30°和60°叶片角度时双风机模拟试验，对雷击次数进行记录，从而进行雷击风机概率计算。

3.3 风机组防雷间距试验数据及分析

1）单风机雷击模拟试验。

对单风机雷击模拟试验结果如表4所示。叶片角度不同时，正负极性气隙的击穿电压明显不同，随着叶片角度的增加而升高，原因是叶片角度发生变化，而高压电极的位置没有变化，使得高压电极和叶片接闪器之间的气隙长度发生变化，从而使击穿电压发生变化。在叶片角度相同时，击穿电压的数值，正极性小于负极性，正极性雷电更加容易对风机造成雷击［9］。

表4 单风机不同叶片角度下正负极性气隙的击穿电压 kV

2）叶片角度0°的双风机雷击模拟试验。

正负极性雷电下叶片角度0°风机的雷击次数与雷击概率如表5所示。由表5的数据可以看出，不同极性雷电下，与单风机相比，双风机的雷击次数和雷击概率降低，主要原因是双风机之间存在相互屏蔽，使接闪器和电极之间电场的分布不均匀，降低了雷击次数和雷击概率。两台风机距离增加，雷击次数和雷击概率增大，原因是随着距离增加，风机之间的相互屏蔽减小，接闪器和电极之间电场的分布越均匀［10］。在风机之间距离相同情况下，与正极性雷击相比，负极性雷击的次数和概率要大，原因是正极性雷击时，接闪器为负极性电极，在屏蔽同时极性效应抑制接闪器附近放电向高压电极发展。使用有限元仿真软件COMSOL建立风机雷击模型，以负极性雷电为例进行双风机屏蔽作用和叶片接闪器区域电场分布分析，对叶片角度0°的1＃风机叶片接闪器附近电场分布情况如表6所示。

表5 正负极性雷电下风机叶片角度0°的雷击次数和雷击概率

表6 叶片角度0°的1＃风机叶片接闪器附近电场对比 MV·m－1

单风机时，竖直方向的接闪器周围电场较强，双风机时，由于屏蔽使得接闪器周围电场减弱，其电离程度减小，雷击的次数和概率降低。叶片角度0°减少风机间距能够提升风机组的雷电防护能力，结合表5得到叶片角度0°的风机防雷间距为1.5～2.5L。

3）叶片角度30°的双风机雷击模拟试验。

正负极性雷电下叶片角度30°的风机雷击次数与雷击概率如表7所示。通过表7数据及计算结果可知，由于两台风机的相互屏蔽，在正负极性雷电下，与单台风机相比，双风机雷击次数和雷击概率明显降低，随着两台风机距离的增加，风机之间的屏蔽被减弱，雷击次数和累计概率增大。

表7 正负极性雷电下风机叶片角度30°的雷击次数和雷击概率

表5和表7的雷击次数和雷击概率对比发现，在两台风机之间的距离分别为1.5、2、2.5、3L，叶片角度0°时正负极性风机雷击次数和雷击概率小于叶片角度30°时。两台风机之间的距离相同时，叶片角度0°的屏蔽作用要优于叶片角度30°。叶片角度30°时，两台风机的防雷间距为1.5～2.5L。

4）叶片角度60°的双风机雷击模拟试验。

正负极性雷电下叶片角度60°风机的雷击次数与雷击概率如表8所示。通过表8数据及计算结果可知，由于两台风机的相互屏蔽，在正负极性雷电下，与单台风机相比，双风机雷击次数和雷击概率明显降低，随着两台风机之间距离增加，风机之间的屏蔽被减弱，雷击次数和雷击概率增大。

表8 正负极性雷电下风机叶片角度60°的雷击次数和概率

对表5、表7和表8的雷击次数和雷击概率对比发现，两台风机之间距离为1.5、2.5、3L，叶片角度60°时，负极性雷电下风机雷击次数和雷击概率最小；两台风机之间距离为2L，叶片角度0°时，负极性雷电下风机雷击次数和雷击概率最小；两台风机之间距离为1.5、2、2.5、3L，叶片角度60°时，正极性雷电下风机雷击次数和雷击概率最小。叶片角度为0°和60°时，两台风机之间的相互屏蔽能力要强于叶片角度为30°；叶片角度60°时，两台风机的防雷间距为1.5～3L。

最后对3种叶片角度下的风机组防雷间距进行整理得到风机的优化间距为1.5～2.5L。建议将风电场内风机之间的横向间距设置为1.5～2.5L，使风电场的整体雷击防护能力得到提升。

针对风机和风电场的雷电防护问题，本研究以雷电先导理论为基础，对风机雷电先导理论进行概述，并对不同条件下的风机叶片引雷效果进行了有效评估，并进行了风机组的防雷间距计算模拟试验研究，与其他方法相比较，本研究所提出的发电风机叶片引雷效果评估及风机组防雷间距研究方法更加简便、实用，为风机和风电场降低雷击、制定防雷措施提供了可借鉴的依据。