雷暴云就是積云，堆積大量的負電荷，達到一定的強度，會對空氣放電形成一個雷電通道，形成向下發展的梯級先導，也就是我們平時所說的閃電，地面觀測中以觀測源，看到閃電記一次雷暴天氣，下面這幅圖就是風電機組遭遇雷擊之后所產生的起火事故。不言而喻雷電的危害性非常大，雷暴作為一種超長間隙放電，它的熱效應、電磁效應、以及機械效應，對無論是建筑物還是風機都造成了巨大的影響。2018年10月18日，中國船舶重工集團海裝風電股份有限公司研究院電氣所電氣主管工程師呂彬在“風能綜合技術研究”分論壇作了“風電機組雷擊接閃概率關鍵技術研究”的主旨演講。 以下為演講實錄： 尊敬的各位專家各位同行大家上午好，我是來自中國海裝研究院的呂彬，風電機組雷擊接閃概率關鍵技術研究，分享我們所取得的成果和一些工作的進展。 我們一起大家一起先來看一下雷電是什么，它是一種極端的自然天氣現象，積云引起的雷電天氣，我們所說的雷暴云會引起雷電，這個可從雷電原理上來說起，雷暴云就是積云，堆積大量的負電荷，達到一定的強度，會對空氣放電形成一個雷電通道，形成向下發展的梯級先導，也就是我們平時所說的閃電，地面觀測中以觀測源，看到閃電記一次雷暴天氣，下面這幅圖就是風電機組遭遇雷擊之后所產生的起火事故。不言而喻雷電的危害性非常大，雷暴作為一種超長間隙放電，它的熱效應、電磁效應、以及機械效應，對無論是建筑物還是風機都造成了巨大的影響。 我們一起回顧一下目前主機場在風電機組防御保護方面的一個工作現狀，在座的有來自主機場的同行，我們現在大部分做的工作主要兩個方向，第一個就是優化工作，也就是在參照了國標IEC或者能源局標準的基礎之上，對我們原有設計進行我們現有的設計進行優化，第二個理論研究，相對于優化工作來說，理論研究工作相對來說比較少，但是據了解主機廠家開展關于雷電防護的電磁仿真，熱效應計算等研究方向，這里的理論研究主要指的幾個方面，比如說雷電原理，雷電是怎么產生的，然后引雷機制，比如說風電機組這樣一個高大的尖端筑物為什么容易遭遇雷擊，具體為什么遭遇雷擊？是一個引雷的機制。 第三個雷電防護模型，這個直接關系到我們在計算一些雷擊風險概率，雷電風險評估的時候，主要用到的方法，雷電防護模型有很多，具體選擇哪個方法準確度也有很多的影響，今天主要從雷電防護的原理方面，給大家介紹一些我們工作的成果。 先看一下雷擊的機理，風機機組高大尖端物質為什么容易遭遇雷擊，雷暴云底部是堆積了負電荷的，據統計現在負電荷對地放電的情況要占整個雷電對地放電情況的80%左右，所以說雷暴云底部堆積了大量的負電荷的時候，它對空氣擊穿放點，形成對地防電的雷電的通道，我們把向下發展的閃電，平時通過攝像機拍照看過的一個向下分杈發展的閃電，我們通常叫做梯級先導，當梯級先導向下發展的時候，梯級先導是攜帶大量的負電荷向地面發展， 那么地面尖端物體感應出來很多的正電荷，尤其在尖端物體上電場強度擊電會非常嚴重，所以說電場強度的增大，在地面尖端物體會產生向上發展的上行先導，先導的意思也就是電荷擊穿空氣，對空氣里面電荷向上發展的閃電通道，在尖端物體產生的一個向上發展的上行先導，去迎接向下發展的閃電的時候，如果這個通道貫穿了之后，雷電流將會從向下發展的梯級先導延伸到建筑物，建筑物放到大地這個就是整個雷擊的過程，也就是我們風電機組雷擊的一個機理。明白了之后，我們基本明確了防雷的思路是什么？其實防雷就是引雷，我們把雷擊順利的引下來，下放到大地里面，這樣一個空曠的位置，是不可能完全百分之百避免雷擊的，除非我在片風電場周圍，我豎了很多避雷針，或者設置了避雷網，無法避免雷擊的情況下，我們能做到就是把雷電順利的引下來，這個是防雷設計的原理，防止雷電流對保護物體產生的損害。 了解以上兩個基本原理之后，我們首先了解到雷擊風電機組和哪些因素有關，有效的從這些因素入手，對風電機組進行良好的范圍保護，列了兩個方向，風電機組的一些自身特性，比如說風電機組雷擊葉片，是否跟葉片的長度有關，是否跟當時的風速有關，是否跟風輪旋轉的速度有關，這些是風電機組的自身特性。 第二個方向就是一些外圍引導因素，風電機組被雷擊有沒有跟當時的環境溫度，環境濕度有關，有沒有跟雷暴向下發展的閃電的速度有關，這些是一些外圍的因素，今天主要從風電機組的自身特性來考慮，就從葉片長度、風速、和風論四轉速三個方向三個要素。計算相關性之前先介紹三個雷電防護模型方法，這將關系到我們最后計算概率的時候，最終選擇的哪種方法，第一個是折線法在一些標準文獻里面有提到，方法認為避雷設備，以一個固定的角度與地面形成的空間內，保護角的范圍內避免遭受直接累積的，折線法與地面形成的保護空間可以避免雷損害的一個區域。 第二個就是滾球法，現在肯定很多主機場使用這種方法，通過平面計算，三圍滾球計算保護范圍。這個方法也比較簡單，可以通過圖上的示意圖看得到，采用一個虛擬的球體，這個球體的半徑，因為標準不一樣，可能20米，或者30米，這樣虛擬的球體，沿著建筑物的表面滾過。由于避雷設備的存在，接閃器，接閃桿，接閃點的存在，有一些區域是無法觸及到的，黑色陰影區域就是滾球法研制的時候無法觸及到的，這個方法目前被主機場大量廣泛使用，最后一個方法電氣集合和模型法，這個隨著雷電防護學科在不斷發展過程中，一些研究者根據不斷地探索摸索包括實驗理論研究所得到的一個經驗算法，這個方法認為雷電的保護范圍，不像前兩種方法所提到的只是一個幾何做圖的問題，只是一個幾何問題，與雷擊電流相關的問題。rS=sIddp，IP就代表回擊電流扶持強度，電氣幾何模型法的意義可以這樣理解，下行先導距離風電機組的距離，當小于RS值的時候，我們認為雷擊必然發生，所以這個RS的取值至關重要。這個關系式里的A和B，目前很多研究者不斷地改進來提高它的精度，模型法也是一種經驗公式，但是目前在電力行業加工線的避雷設計，飛行器建筑物變電站，很多行業采用了電氣集合模型法作為保護范圍的一個方法。 我們通過三幅圖來理解一下電氣幾何模型的意義，上行先導跟下行先導連接的時候，這個距離風電機組，雷擊擊中建筑物小于RS值，雷擊點被確定，這個是電氣幾何模型的意義。 這個是攝像機拍到，感塔的陰影比較模糊看不太清楚，看得到感塔產生的下行先導，這個是一個向下發展的下行先導，設想拍下來的照片，趨勢就是上行先導通道連通之后，雷電流沿著這個通道從雷暴云底部，電荷通過建筑物放到大地里面。下面我們就開始正式介紹雷擊風險概率的計算方法。 提到概率就不得不引入雷電風險評估中經常用到的優勢，年預計雷擊次數，次數高接閃概率就越大，年預計雷擊次數，成正相關的因素，這個公式里面NG代表雷擊密度，C是環境因素，平原地區時取1，扇區的時候取2，計算雷擊接閃概率的關鍵。 我們使用電氣幾何模型法來計算，這里面用雷擊接閃半徑表達，S=10×1P0.65，經驗取值的公式，根據風電機組的高度不成，累積接閃半徑。風電機組面積通過這幅圖建筑物的保護方法，風電機組投影在地面的長方形面積，作為風電機組的計算方法，兩個半圓的面積，等效接受半徑來確定，以變化函數來表示風電機組的寬度可以看到我們風力發電機組三個葉片是不斷旋轉的，旋轉過程中風電機組投影在地面的長度是不一樣的，我們把風機位于人字型，設為0度，可以將投影在葉片上的寬度表達出來跟塔的關系式。年預計的公式里，得到一個表達式，相關的兩個關系式?？梢钥吹接颐孢@幅圖右下角的公式，最終的公式，我們對C角從0到360度不斷地變化的，雷擊扶植電流強度，看到這個公式里面除了前面介紹的幾個參數，還包含一個PI，這兩個去職，雷擊是一個完全的隨機事件，我們在這個公式里面增加了一個概率函數，P1概率密度函數。這個計算方法我們主機場在研究的時候，模型法計算雷電機組的概率的時候，跟這個ICU624提到的不一樣，風電機組高的三倍，地面形成的一個圓面積作為一個等效接收面積的計算方法，我們這個是用電氣幾何模型法來計算的。列舉在雷擊電流強度。我們這里得到一個初步的節噸，IEC61400只是為了工程上的應用方便，提出比較大的寬泛的范圍，為了能保證基本上所有情況出現的一個等效接收面積，使用電氣幾何模型法，值相對準確，接收面積相對精確，這是一個對比，在研究完我們風電機組的雷擊概率和葉片長度，葉片旋轉角度，我們進行了一個拓展的研究，是否跟風能的轉速，跟雷擊相關，這幅圖風機在禁止的時候，在風機旋轉的時候，我們等效的認為在每一個旋轉的瞬間，風電機組夜間，在移動的過程中隨著風力發電機組不斷的轉動，在變場的存在，會被逐漸的拉薄，并且密度會逐漸的變小，風電機組旋轉起來，電運層類似我們平地的電流層，剛才提到的這個上行先導的始發，也跟這個有關系，初步得到的結論就是風力發電機組葉片的旋轉導致頂端的改變，影響到尖端的電場，這個尖端電場的改變，有著關鍵性的作用，頭部的電場強度增加到一定程度，可以始發，這里基本明確了風能轉速和雷擊概率的關系，從以上兩個因素分析雷擊風電機組概率的相關性。 分享一下目前海裝公司的研究成果，在這個過程中我們也了解了標準，同時也合理運用標準的條款，不是盲目的使用，或者是遵從標準的要求，不管如何進行理論研究，進行如何高大上的研究，最終還是要指導到設計優化上，最終目的降低故障率，我們這些理論研究，將會服務于風電機組的設計優化，今天的演講就到此結束謝謝大家。