海装风电吕彬：风电机组防雷的思路是引雷 要把雷击顺利的引下来

2018年10月17日-19日，2018北京国际风能大会暨展览会（CWP 2018）在北京新国展隆重召开。本次大会由中国可再生能源学会风能专业委员会、中国循环经济协会可再生能源专业委员会、全球风能理事会、中国农业机械工业协会风力机械分会、国家可再生能源中心和中国电子信息产业发展研究院（赛迪集团）六大权威机构联合主办。

“风能综合技术研究”分论坛于10月18日上午召开。中国船舶重工集团海装风电股份有限公司研究院电气所电气主管工程师吕彬发表了题为“风电机组雷击接闪概率关键技术研究”的主旨演讲。

以下为演讲实录：

吕彬：尊敬的各位专家各位同行大家上午好，我是来自中国海装研究院的吕彬，风电机组雷击接闪概率关键技术研究，分享我们所取得的成果和一些工作的进展。

我们一起大家一起先来看一下雷电是什么，它是一种极端的自然天气现象，积云引起的雷电天气，我们所说的雷暴云会引起雷电，这个可从雷电原理上来说起，雷暴云就是积云，堆积大量的负电荷，达到一定的强度，会对空气放电形成一个雷电通道，形成向下发展的梯级先导，也就是我们平时所说的闪电，地面观测中以观测源，看到闪电记一次雷暴天气，下面这幅图就是风电机组遭遇雷击之后所产生的起火事故。不言而喻雷电的危害性非常大，雷暴作为一种超长间隙放电，它的热效应、电磁效应、以及机械效应，对无论是建筑物还是风机都造成了巨大的影响。

我们一起回顾一下目前主机场在风电机组防御保护方面的一个工作现状，在座的有来自主机场的同行，我们现在大部分做的工作主要两个方向，第一个就是优化工作，也就是在参照了国标IEC或者能源局标准的基础之上，对我们原有设计进行我们现有的设计进行优化，第二个理论研究，相对于优化工作来说，理论研究工作相对来说比较少，但是据了解主机厂家开展关于雷电防护的电磁仿真，热效应计算等研究方向，这里的理论研究主要指的几个方面，比如说雷电原理，雷电是怎么产生的，然后引雷机制，比如说风电机组这样一个高大的尖端筑物为什么容易遭遇雷击，具体为什么遭遇雷击？是一个引雷的机制。

第三个雷电防护模型，这个直接关系到我们在计算一些雷击风险概率，雷电风险评估的时候，主要用到的方法，雷电防护模型有很多，具体选择哪个方法准确度也有很多的影响，今天主要从雷电防护的原理方面，给大家介绍一些我们工作的成果。

先看一下雷击的机理，风机机组高大尖端物质为什么容易遭遇雷击，雷暴云底部是堆积了负电荷的，据统计现在负电荷对地放电的情况要占整个雷电对地放电情况的80%左右，所以说雷暴云底部堆积了大量的负电荷的时候，它对空气击穿放点，形成对地防电的雷电的通道，我们把向下发展的闪电，平时通过摄像机拍照看过的一个向下分杈发展的闪电，我们通常叫做梯级先导，当梯级先导向下发展的时候，梯级先导是携带大量的负电荷向地面发展，

那么地面尖端物体感应出来很多的正电荷，尤其在尖端物体上电场强度击电会非常严重，所以说电场强度的增大，在地面尖端物体会产生向上发展的上行先导，先导的意思也就是电荷击穿空气，对空气里面电荷向上发展的闪电通道，在尖端物体产生的一个向上发展的上行先导，去迎接向下发展的闪电的时候，如果这个通道贯穿了之后，雷电流将会从向下发展的梯级先导延伸到建筑物，建筑物放到大地这个就是整个雷击的过程，也就是我们风电机组雷击的一个机理。明白了之后，我们基本明确了防雷的思路是什么？其实防雷就是引雷，我们把雷击顺利的引下来，下放到大地里面，这样一个空旷的位置，是不可能完全百分之百避免雷击的，除非我在片风电场周围，我竖了很多避雷针，或者设置了避雷网，无法避免雷击的情况下，我们能做到就是把雷电顺利的引下来，这个是防雷设计的原理，防止雷电流对保护物体产生的损害。

了解以上两个基本原理之后，我们首先了解到雷击风电机组和哪些因素有关，有效的从这些因素入手，对风电机组进行良好的范围保护，列了两个方向，风电机组的一些自身特性，比如说风电机组雷击叶片，是否跟叶片的长度有关，是否跟当时的风速有关，是否跟风轮旋转的速度有关，这些是风电机组的自身特性。

第二个方向就是一些外围引导因素，风电机组被雷击有没有跟当时的环境温度，环境湿度有关，有没有跟雷暴向下发展的闪电的速度有关，这些是一些外围的因素，今天主要从风电机组的自身特性来考虑，就从叶片长度、风速、和风论四转速三个方向三个要素。计算相关性之前先介绍三个雷电防护模型方法，这将关系到我们最后计算概率的时候，最终选择的哪种方法，第一个是折线法在一些标准文献里面有提到，方法认为避雷设备，以一个固定的角度与地面形成的空间内，保护角的范围内避免遭受直接累积的，折线法与地面形成的保护空间可以避免雷损害的一个区域。

第二个就是滚球法，现在肯定很多主机场使用这种方法，通过平面计算，三围滚球计算保护范围。这个方法也比较简单，可以通过图上的示意图看得到，采用一个虚拟的球体，这个球体的半径，因为标准不一样，可能20米，或者30米，这样虚拟的球体，沿着建筑物的表面滚过。由于避雷设备的存在，接闪器，接闪杆，接闪点的存在，有一些区域是无法触及到的，黑色阴影区域就是滚球法研制的时候无法触及到的，这个方法目前被主机场大量广泛使用，最后一个方法电气集合和模型法，这个随着雷电防护学科在不断发展过程中，一些研究者根据不断地探索摸索包括实验理论研究所得到的一个经验算法，这个方法认为雷电的保护范围，不像前两种方法所提到的只是一个几何做图的问题，只是一个几何问题，与雷击电流相关的问题。rS=sIddp，IP就代表回击电流扶持强度，电气几何模型法的意义可以这样理解，下行先导距离风电机组的距离，当小于RS值的时候，我们认为雷击必然发生，所以这个RS的取值至关重要。这个关系式里的A和B，目前很多研究者不断地改进来提高它的精度，模型法也是一种经验公式，但是目前在电力行业加工线的避雷设计，飞行器建筑物变电站，很多行业采用了电气集合模型法作为保护范围的一个方法。

我们通过三幅图来理解一下电气几何模型的意义，上行先导跟下行先导连接的时候，这个距离风电机组，雷击击中建筑物小于RS值，雷击点被确定，这个是电气几何模型的意义。

这个是摄像机拍到，感塔的阴影比较模糊看不太清楚，看得到感塔产生的下行先导，这个是一个向下发展的下行先导，设想拍下来的照片，趋势就是上行先导通道连通之后，雷电流沿着这个通道从雷暴云底部，电荷通过建筑物放到大地里面。下面我们就开始正式介绍雷击风险概率的计算方法。

提到概率就不得不引入雷电风险评估中经常用到的优势，年预计雷击次数，次数高接闪概率就越大，年预计雷击次数，成正相关的因素，这个公式里面NG代表雷击密度，C是环境因素，平原地区时取1，扇区的时候取2，计算雷击接闪概率的关键。

我们使用电气几何模型法来计算，这里面用雷击接闪半径表达，S=10×1P0.65，经验取值的公式，根据风电机组的高度不成，累积接闪半径。风电机组面积通过这幅图建筑物的保护方法，风电机组投影在地面的长方形面积，作为风电机组的计算方法，两个半圆的面积，等效接受半径来确定，以变化函数来表示风电机组的宽度可以看到我们风力发电机组三个叶片是不断旋转的，旋转过程中风电机组投影在地面的长度是不一样的，我们把风机位于人字型，设为0度，可以将投影在叶片上的宽度表达出来跟塔的关系式。年预计的公式里，得到一个表达式，相关的两个关系式。可以看到右面这幅图右下角的公式，最终的公式，我们对C角从0到360度不断地变化的，雷击扶植电流强度，看到这个公式里面除了前面介绍的几个参数，还包含一个PI，这两个去职，雷击是一个完全的随机事件，我们在这个公式里面增加了一个概率函数，P1概率密度函数。这个计算方法我们主机场在研究的时候，模型法计算雷电机组的概率的时候，跟这个ICU624提到的不一样，风电机组高的三倍，地面形成的一个圆面积作为一个等效接收面积的计算方法，我们这个是用电气几何模型法来计算的。列举在雷击电流强度。我们这里得到一个初步的节吨，IEC61400只是为了工程上的应用方便，提出比较大的宽泛的范围，为了能保证基本上所有情况出现的一个等效接收面积，使用电气几何模型法，值相对准确，接收面积相对精确，这是一个对比，在研究完我们风电机组的雷击概率和叶片长度，叶片旋转角度，我们进行了一个拓展的研究，是否跟风能的转速，跟雷击相关，这幅图风机在禁止的时候，在风机旋转的时候，我们等效的认为在每一个旋转的瞬间，风电机组夜间，在移动的过程中随着风力发电机组不断的转动，在变场的存在，会被逐渐的拉薄，并且密度会逐渐的变小，风电机组旋转起来，电运层类似我们平地的电流层，刚才提到的这个上行先导的始发，也跟这个有关系，初步得到的结论就是风力发电机组叶片的旋转导致顶端的改变，影响到尖端的电场，这个尖端电场的改变，有着关键性的作用，头部的电场强度增加到一定程度，可以始发，这里基本明确了风能转速和雷击概率的关系，从以上两个因素分析雷击风电机组概率的相关性。

分享一下目前海装公司的研究成果，在这个过程中我们也了解了标准，同时也合理运用标准的条款，不是盲目的使用，或者是遵从标准的要求，不管如何进行理论研究，进行如何高大上的研究，最终还是要指导到设计优化上，最终目的降低故障率，我们这些理论研究，将会服务于风电机组的设计优化，今天的演讲就到此结束谢谢大家。