风力发电机机舱新型接闪系统防护效能评估

吴永鹏 王甜甜 于雪原 杨航 何相勇

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-9236

作者简介：

吴永鹏（1992—），男，工程师，研究方向为风力发电机组电气设计。

于雪原（1983—），男，高级工程师，研究方向为风力发电机组电气设计。

通信作者：何相勇（1980-），男，博士，研究员，研究方向为雷电及其防护设计。E-mail：he.xiangyong@airborne-em.com。

摘要：针对风力发电机复材机舱接闪系统防护效能评估中存在的滚球法适用受限、被保护对象结构与分布复杂的问题，结合风电场雷电环境特点，建立了两种接闪设计方案的数值模型，计算了多种先导起点位置条件下的电场分布；从表面电场、附着区域及等电势覆盖区域3个关键影响因素出发，比较了两种设计方案的防护效果，结果表明该方法能够更加准确评估防护效能，可有效支持复杂系统的雷电防护的精细化设计。

关键词：防护效能 评估方法 接闪系统 风力发电机组

中图分类号：TK83文献标识码：J   文章编号：

随着新能源产业，特别是风电产业进入集约增效发展阶段，风电系统更加安全、高效运行问题日益重要，以适应风电成本快速下降的趋势，因此更大的风机单机容量、更长更轻更廉价的复材叶片、更高的更轻的复材塔筒[1]被更大范围的采用。与此同时，风电项目多新建在沙漠戈壁、山地高原等环境恶劣低成本区域[2-3]，以进一步降本增效。根据统计结果[4]，风机结构特点与风电场所处位置特征，雷击是影响风电机组的稳定运行、易造成巨大的经济损失的重要威胁。

风电设备与项目场景双重变化，对风机的雷电防护研发提出了更多挑战：（1）设备方面，机舱从金属转为玻璃钢或复合材料，烧蚀、熔穿和分层等雷击损伤也更加严重；复合材料舱体对雷电间接效应危害的保护作用不足；（2）设计方面，风电机组的防护主要通过叶片接闪器/导流条/铜网等措施，并通过将叶片等效为避雷针从而实现对机舱的直击雷防护，这种防护方法在机舱防护上存在遗漏之处；在机舱尾部气象站上方安装避雷针并通过塔筒形成接地[4]的设计方案中，由于机舱避雷针和其他气象设备组合使用，需要尽量降低对气象设备的影响；（3）效能评估方面，机舱及其避雷针位于塔筒上方的超高位置，多高于《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—2010）滚球法评估保护范围的上限120 m（超高部分认为不具备防护效能），且复合材料舱体的雷电电磁感应效应更为复杂[5，6]，使得防护评估的难度变大。

综上，采用静电场法对避雷针及机舱尾部的雷击附着特性进行数值计算，以接闪效率、防护范围、分流特性为评价指标，开展风机机舱雷电防护效能评估研究，可为提供防护效能提供理论与仿真支持，以及为后续超高风电机组的雷电防护设计提供参考，具有重要的技术和经济意义。

1  两种新型避雷针设计方案

目前，以环氧树脂为基体的玻璃钢（GFRP）绝缘材料为主的风机机舱罩，多使用机舱内部的金属法拉第笼结构作为引流导体，相比于增设独立的引下线系统，这种防护设计更加高效、低成本更低。

本文提供了两种新型的避雷针设计方案，均采用复材舱体下埋金属法拉第笼结构+气象站避雷针方案：方案一如图1（a）所示，矩形的框式结构顶部设置一根垂直的避雷针，矩形框内安装气象站设备，气象站底端、金属法拉第笼、塔筒三者的引下线依次相连最终接地；方案二如图1（b）所示，H型框架上设置三根避雷针，分布在两侧，避雷针附近安装气象站设备，底端及引下线安装方式与方案1相同。两种方案中机舱与外部形状大体相当。

2  模型构建与仿真方法

2.1  雷电仿真模型构建

影响避雷系统防护效能的因素主要包括风场所在地的雷电流平均强度，避雷系统表面在雷电环境中感应电场强度分布，附着点起始先导竞争效应对其余位置的保护情况。本文充分考虑3种因素，构造风场雷电环境。

2.1.1 风场的雷电流平均强度及其雷击距

雷击距的定义是首次雷击时先导头部和避雷针接闪位置的这一击距离。雷击距是影响避雷针系统雷电防护效能的重要因素。当一个阶梯先导发展接近雷击距时，它将被吸引到避雷系统上，即雷击距就是被评估的避雷系统的滚球半径[7]。一般认为雷击距与雷电流幅值关系满足：

式（1）中：、b均为常数。本研究选取IEEE规定的击距参数[8]，其中b=0.65，=8。同时，用棒状电极模拟下行先导头部，电极电压取空气中棒间隙的负极性雷电冲击50%击穿电压：

式（2）中：为雷电冲击50%击穿电压，单位为kV；d为极间距离，单位为cm。以幅值20kA的雷电流波形为例，计算得出雷电击距为56 m，电极电压为33.7 MV。

2.1.2 避雷系统表面感应电场强度分布

下行先导在避雷系统表面感应的电场强度是上行先导发展重要的影响因素。受雷电下行先导以及雷云背景电场的影响，当下行先导向下发展接近大地时，风机及其避雷系统附近空间/表面的电场强度抬升和畸变，电场强度会在风机及其避雷系统表面曲率半径较小的位置率先达到起始放电场强，触发上行先导。根据雷电上行先导发生特性，存在大范围强电场的区域、风机机舱罩及其接闪器表面场强越强的位置，触发上行先导并建立雷电通道概率更大。为了能够直观地获得接闪装置及机舱系统的电场分布，本文对电场分布进行归一化处理，见式（3）：

式（3）：为机舱系统上的电场强度，单位为kV/m；为机舱系统上的电场强度的最大值，单位为kV/m；为机舱系统上的电场强度的最小值，单位为kV/m；为机舱系统上的相对电场强度，其值范围在0～1之间。

综上所述，这些表面场强越强的区域可以划为附着区[8]。对于风机及其避雷系统，良好的防护效果要求附着区集中于避雷系统，且在机舱上不存在附着区。

2.1.3 先导竞争效应的保护效应

机舱及其避雷系统表面附着区出现起始先导时，由于电荷持续向空中释放，附着区的电势相对下降；在雷电下行先导影响下，初始先导持续生长，直至形成长度2～10 m长的稳定先导。在这个先导生长的过程中，会抑制周围先导的产生[9]。即附着区附件的起始先导竞争效应会对其余位置形成保护。在分析复杂的风机避雷系统雷电防护效能时，需要考虑在附着区形成先导的条件下的等电势面的覆盖的范围，避雷系统对风机的防护效能取决于防护米娜覆盖是否足够大、足够全面。

2.2  附着点仿真的电极设置

将机舱放在整个风机系统中考虑时，前端叶片上的雷电保护装置（如叶片接闪器）可以对叶片和机舱头部起到保护作用，即来自机舱正面和上面的下行先导，优先附着在叶片上。因此在选择附着点电极位置时，全面考虑可能的雷击角度，本文在建立机舱接闪仿真模型时，以避雷针底部表面中心位置为原点，向上为Z轴，水平向叶片方向为X轴。如图2和图3所示，XOZ平面上φ的范围为0°～60°，YOZ平面上θ范围为-60°～60°。

3  仿真结果与讨论

3.1  表面电场分布

图4为电极处于θ=0°，φ=0°、30°、60°位置下，图5为电极处于φ=0°，θ=30°、60°位置下，计算所得的两种避雷针方案下机舱与避雷系统的表面电场强度分布图。分析表明：（1）当电极位于θ=0°，φ=0°时，高强度电场区域分布主要集中在机舱顶部避雷针上，随着电极位置的改变，电场强度分布逐渐分散；（2）综合分析多种电极位置下的高强度电场分布区域，在两种设计方案中，均集中在避雷针顶部，风速仪、风向标、风速风向仪边缘的尖角结构处，即使随电极位置变化，电场强度有所变化，但是这些位置的电场强度仍远大于机舱尾部的电场强度。这些计算结果表明，按照高强度电场区域优先接闪的判据，两种设计方案中的避雷针都能够实现对机舱的保护。

3.2  附着区域分布

统计两种避雷针设计方案的机舱系统中关键位置标记，并统计其归一化电场强度的最大值，如图6所示。图6（a）为避雷针方案设计1不同角度下关键位置处归一化电场强度最大值统计图，图6（b）为避雷针方案设计2不同角度下关键位置处归一化电场强度最大值统计图。

由图6（a）可知，方案1中不同工况时垂直避雷针上的归一化电场强度为0.67左右，然而风速仪在不同工况下的归一化电场强度近似为0.06，风向标、风速风向仪在不同工况下的归一化电场强度更小，仅为0.03左右，均大于机舱尾部左右两侧的归一化电场强度最值0.02，这说明方案1的避雷针设计，可以有效的防护上边的气象设备以及机舱尾部。

由图6（b）可知，方案2中不同工况时，三根避雷针上的归一化电场强度最值分别为0.78、0.75、0.76左右，风速仪、分向标的归一化电场强度近似为0.15，风速风向仪上边电场仅为0.06，远大于机舱尾部左右两侧的归一化电场强度最值0.005，这说明方案2的避雷针设计，相比于方案1对机舱尾部的防护更优，但是考虑到避雷针上的各种气象设备，方案1的设计效果明显要优于方案2。

3.3  等电势覆盖区域分布

图7为两种方案在电极位于θ=0°，φ=0°、30°、60°位置时机舱空间等势面分布；图8两种方案在电极位于φ=0°，θ=0°、30°、60°位置时机舱空间等势面分布。

比较图8两种避雷针方案的空间等势面分布，方案1的避雷针高度高于方案2的避雷针高度0.7m，发现方案1对机舱前后的保护范围略大，对比图8种避雷针方案的空间等势面分布，方案2 这种H形框架上设置三根避雷针对机舱左右两侧的防护范围大于方案1。

3.4  防护效果的比较

根据表面电场分布、附着区域分布、等电势覆盖区等因素，得出的主要结论如下：（1）电场强度高的位置主要集中在机舱顶部避雷针上，随着先导位置的改变，电场分布逐渐分散，两种方案均能满足基本的雷电防护要求；（2）基于玻璃钢机舱的实际安装结构，分析了对关键点位的保护情况，方案1设计对机舱上安装的气象设备防护效果更好；但是方案2设计对机舱尾部的防护更优；（3）从等电势面的保护范围看，方案1对机舱前后的保护范围略大，综合叶片保护范围看，方案1的保护效果略好。

4  结语

本文针对某机舱两种避雷针设计方案，建立了雷电与机舱系统模型，仿真研究了模拟先导（电极）在不同位置时，作用于各避雷针、风速设备以及机舱尾部结构上的电场强度分布，并以此为依据，研究了其附着区及其等电势覆盖区，通过对比评估了两种接闪系统的防护效能。本文研究的接闪系统效能评估方法，可以有效支持复杂系统的雷电防护的精细化设计，有效解决传统滚球法设计的不足。

参考文献

李丽旻.陆上风机大型化进程再提速[N].中国能源报， 2023-01-16（15）.

谭启德，潘超，陈铁，等.风机桨叶雷击灾害问题研究[J].电瓷避雷器，2019（1）：44-49.

潘俊文，罗日成，唐祥盛，等.风电场架空集电系统雷电暂态过电压分析[J].高压电器，2015，51（10）：34-39，46.

陈华晖，朱泽伟.基于有限元的金属构架结构建筑物雷击效应仿真分析[J].高压电器，2019，55（3）：134-138.

周歧斌，王玺，史一泽，等.风电机组非金属机舱的雷击附着特性数值仿真与防护设计[J].电瓷避雷器，2022（2）：39-45.

张益赓，文习山，王健，等.风力机叶片复合材料雷击损伤特性研究[J].武汉大学学报（工学版），2019，52（3）：264-269.

于万水.不同极性雷云下旋转风机叶片邻域的空间电荷演化特性与雷击先导发展模型[D].北京：华北电力大学（北京），2022.

文习山，邓冶强，王羽，等.风力发电机叶片雷击接闪特性研究综述[J].高电压技术，2020，46（7）：2511-2521.

赵继尧，李庆民，于万水.考虑空间电荷分布的旋转风机叶尖电晕放电特性[J].高电压技术，2023，49（5）：2140-2149.