周婵媛

（湖南科技大学，湖南 湘潭411100）

风力发电机的雷电绕击分析与防护

周婵媛

（湖南科技大学，湖南 湘潭411100）

通过引雷空间法中的吸引半径理论讨论风机绕击现象，计算最大屏蔽失效概率和绕击概率。利用ATP-EMTP搭建风机叶片、塔筒和接地体模型，分析在机舱和塔筒间增设引下线对雷电流分流的效果。分析结果表明：风机最大屏蔽失效电流和绕击概率随着叶片旋转角度的增大而增加；叶尖接闪器并不能实现对机舱的完全防护，需要在机舱尾部安装接闪杆；增设引下线能够提供一条良好的雷电流泄流通道。需要采取相应措施防止机舱接闪杆对风速仪、导航灯等设备的雷电反击危害。

风力发电机；雷电；绕击；接闪杆；引下线

0 引言

为了解决经济发展过程中的能源需求问题，各国都在大力发展清洁能源，其中风电的发展尤其引人注目。到2014年底，全球累计风电装机容量369.60 GW，全球风电进入高水平发展时期[1]。由于风机通常安装在山区或沿海地带，恶劣的自然环境使得其受雷电危害较为严重[2-3]。

由于叶片处于风电机组最高点，最容易遭受雷击，且叶片成本占风机总成本比例较高，遭受雷击后维修费用高昂，因此对风机直击雷防护研究重点主要集中在叶片[4-5]。IEC规范[6]也对叶片防雷作了详细论述。但是统计风机雷击事故发现，雷电可能并未击中叶尖接闪器，而是绕击击中机舱前端和轮毂等外部突出部位，如果泄流通道不畅，就会对机舱内轴承和齿轮箱等部件造成严重损坏[7]。但是目前对风力发电机的雷电绕击分析研究较少。

笔者分析现有绕击屏蔽模型，计算风机绕击率和最大屏蔽失效电流。利用ATP-EMTP[8]建立完整风机模型，计算风机雷电绕击情况下暂态特性，讨论增加专设引下线对雷电流泄流的效果，为风电机组的雷电防护提供一定参考。

1 绕击模型

目前较为常用的绕击分析模型包括经典电气几何模型[9]和Eriksson提出的改进电气几何模型[10]。在分析输电线路屏蔽失效方面电气几何模型取得了较好的效果[11-12]。电气几何模型的核心是击距概念，击距将线路引雷能力同雷电流幅值建立联系。在电气几何模型基础上，相关学者又加以完善提出了引雷空间法来分析线路防雷保护[13]。引雷空间法中的一个重要概念是吸引半径，是指引雷的结构物存在一定雷电吸引范围，如果雷电下行先导进入吸引半径范围内，结构物产生迎面先导以拦截下行先导，否则雷电先导击中地面。吸引半径较击距更能反映建筑产生的上行先导对雷击过程的影响。图1给出了吸引半径理论用于分析绕击现象示意图。图1中，h为接闪杆高度，h0为被保护物高度，α为保护角，Rs和Rp分别为接闪杆和被保护物的吸引半径，W为屏蔽失效后的暴露宽度。

图1 吸引半径示意图Fig.1 Sketch map of attractive radius

不同研究人员根据不同的先导起始判据、击穿判据和击距公式都给出了相应吸引半径计算公式，但主要形式类似：

式中：Ra为吸引半径，h为接闪杆高度，I为雷电流幅值。参数 a、b、c、选取见表 1[14-16]。

表1 吸引半径参数选取Table 1 Parameters selection of attractive radius

当雷电下行先导进入暴露宽度范围后，雷电便会绕过接闪杆击中被保护物。暴露宽度W＝0时对应的雷电流Im称作最大屏蔽失效电流。最大屏蔽失效电流可以通过下列公式计算：

2 风力发电机的绕击分析

通过求取风机叶片和机舱的引雷半径和暴露宽度，风力发电机的绕击概率计算如下：

式中：f（I）为雷电流幅值概率分布。

雷电流幅值概率分布公式[17]如下：

笔者以华锐风电SL3000/113型风机为例，其叶片长度56.7 m，轮毂高度110 m，机舱长度12.3 m。图2和图3给出了叶片不同旋转角度下的最大屏蔽失效电流和绕击率。

图2 最大屏蔽失效电流随叶片旋转角度变化Fig.2 Maximum shielding failure current vs rotation angle

图3 绕击概率随叶片旋转角度变化Fig.3 Shielding failure probability vs rotation angle

从图2、图3可以看出，风机的最大屏蔽失效电流和绕击概率均随着叶片旋转角度的增大而增加，Eriksson公式计算结果明显小于Petrov公式。虽然绕击概率计算结果较小，但仍然有遭受电流幅值较小的雷击可能。如果机舱尾部未安装接闪杆，则完全依赖叶尖接闪器的保护。如果叶片的旋转角度较小，风机最高点高度也较低，叶尖接闪器可以拦截来自机舱前方和上方的雷电下行先导，但对于从机舱尾后方袭来的雷电下行先导则有可能无法拦截，机舱遭受绕击的概率就较大。

图4给出了机舱尾部安装接闪杆前后屏蔽保护示意图，图中叶片旋转角度为30°。从图4可以看出，机舱末端未安装接闪器前，最大绕击失效电流为11 kA（Petrov公式），对应的暴露宽度1.85 m（Petrov公式）。安装接闪器后，由于接闪杆高于机舱，其吸引半径也大于机舱，机舱不会直接暴露在雷电先导目标范围内，可以免受直接雷击，同时也可以保护舱尾的风速风向仪。

图4 安装接闪杆保护示意图Fig.4 Sketch map of install lightning rod in the tail of the nacelle

3 增设引下线

无论是雷击叶片还是雷击机舱接闪杆，雷电流都会通过电刷、机舱底板和偏航系统滑环等环节导入塔筒，再经接地装置泄散入地。如果电刷或滑环部位由于表面的磨损，导致接触面接触电阻增大，就阻碍了雷电流从该路径传导入地，转而经过机舱中高、低速轴和相关的设备以及塔筒内线路传导入地，这会严重损坏机组内的设备，危害机组的安全可靠性[17]。为了稳定泄流，有研究人员提出增加专设引下线连接机舱和塔筒[7]。利用ATP-EMTP搭建叶片、机舱、塔筒模型，分析增设引下线的泄流效果。

3.1 雷电流模型

雷电流波形采用Heidler函数[17]表示，表达式为

式中：I0为峰值电流；τ1和τ2分别为波头时间常数和波尾时间常数；n为电流陡度因子，一般情况下取n=2或10。雷电流通道的波阻抗和雷电流幅值紧密相关，根据GB50064-2014给出的波阻抗随雷电流幅值变化规律图[18]确定。

3.2 叶片、塔筒和接地装置模型

考虑雷电流在叶片上传播的波过程，用分段波阻抗模型表示。将叶片分为叶尖、中部和叶根三段，每段波阻抗计算如下[19]：

式中：hb为每段等效高度；rb为每段等效半径。

风机塔筒模型采用分布参数电路来等效[20]，用电感和阻抗描述。将塔筒分段，每段看作一个空心圆台，如图5所示。

图5 分段塔筒模型Fig.5 Sectional tower model

分段塔筒等效半径：

式中：H为分段塔筒长度；req为分段塔筒的等效半径；r1、r2、r3分别为分段塔筒顶部、中部、底部的半径。

分段塔筒等值阻抗：

式中：ρ为塔体材料的电阻率；A为塔体截面积。

分段塔筒等值电感：

式中：c为塔体内径与外径之比；μ0为真空磁导率；μr为塔筒相对磁导率[20]。

将塔筒简化为分段圆柱形导体计算其对地分布电容[21]：

式中：H′为分段塔筒最低高度；l0为分段塔体长度。

为了考虑雷电流流经接地装置时土壤的电离特性，采用GIGRE接地电阻模型，接地电阻通过下式计算：

式中：I为流过接地装置的电流；R0为土壤工频接地电阻；Ig是土壤临界击穿电流，由下式计算：

式中：Ec为土壤电离场强，取400 kV/m。

引下线和接闪杆采用电感和电阻表示，单位长度电感由下式计算[22]：

式中：l0为分段长度，a为导体半径。

机舱轴承耦合电容[23]：

式中：ε是轴承润滑油的介电常数；l为轴承的长度；D为轴承环轴线到滚子轴线的距离；R1为滚子半径；R2为轴承环的半径[23]。

3.3 仿真结果

仿真中参数选取如下：叶片长度56.7 m，塔筒高度110 m，引下线长1 m，截面直径17 mm，接闪杆长0.2 m，直径12 mm。 雷电流波形2.6/50 μs，幅值10 kA。图6给出了安装引下线后引下线和轴承的分流。

图6 引下线分流Fig.6 Shunt of the down conductor

由图6可以看出，增设专门引下线后绝大部分雷电流通过引下线流至塔筒，只有小部分流经轴承，避免了雷电流对轴承的损害，同时也提供了一条稳定的雷电流泄散通道。

仿真分析中还发现，接闪杆遭受雷击时，其电位达到379 kV，增设引下线对暂态电位降低效果也不明显。航空障碍灯、风速风向仪等设备距离接闪杆仅数十厘米，空气击穿强度以30 kV/cm[24]来估计，接闪杆上产生的过电压很容易对对周边设备造成反击，继而沿设备线路进入机舱，损坏机组的控制系统和敏感电子元件。2013年长春风场就曾经发生过类似案例[25]。为了降低这种反击危害，可以在航空灯供电线路断路器负载侧加装二级组合SPD。

4 结论

计算了风力发电机的绕击概率，利用ATPEMTP分析了敷设专设引下线后分流效果。根据上述分析，得到如下结论：

1）风机的最大屏蔽失效电流和绕击概率随着叶片旋转角度的增大而增加。

2）风机叶片接闪器不能实现对机舱的完全防护，需要在机舱尾部安装接闪杆拦截机舱后方来袭雷电先导。

3）在塔筒内部增设专门引下线能够实现有效分流。

4）需要采取相应措施降低机舱接闪杆雷击暂态电位带来的反击危害。

[1] 李俊峰.2015中国风电发展报告[M].北京：中国环境科学出版社.

[2]康春华，张小青，王芳.风电机组的防雷问题[J].山西电力，2006（6）：62-64.KANG Chunhua，ZHANG Xiaoqing，WANG Fang.Lightning protection of wind turbine generators[J].Shanxi Electric Power，2006（6）：62-64.

[3]于建国.风电机组防雷改造与案例分析[J].电瓷避雷器，2016（2）：135-139.YU Jiangu.Reconstruction and case analysis on lightning protection of wind turbine generators[J].Insulators and Surge Arresters，2016（2）：135-139.

[4]洪华芳，周歧斌，边晓燕.风力发电机叶片的雷击损伤与雷电保护[J].华东电力，2009（10）：1778-1781.HONG Huafang，ZHOU Qibin，BIAN Xiaoyan.Lightning damages and protection for wind turbine blades[J].East China Electric Power，2009（10）：1778-1781.

[5]陈雷，张向东，黎华.复合材料风电叶片避雷防护研究进展[J].材料开发与应用，2013（2）：107-110.CHEN Lei，ZHANG Xiangdong，LI Hua.Research progress on lightning protection of composite material wind turbine blade[J].Development and Application of Materials，2013（2）：107-110.

[6]IEC 61400-24：2010.Wind turbine generation system part 24：lightning protection[S].

[7]刘军.风力发电机组防雷系统的分析和建议-解读现代风力发电机组防雷系统[J].电子世界，2014（8）：219-220.LIU Jun.Analysis and recommendations for wind turbine lightning protection system[J].ElectronicsWorld，2014（8）：219-220.

[8]吴文辉，曹祥林.电力系统电磁暂态计算与EMTP应用[M].北京：中国水利水电出版社，2012.

[9]BROWN G W，WHITEHEAD E R.Field and analytical studies of transmission line shielding II[J].IEEE Transactions on Power Apparatus Systems，1969，88（5）：617-626.

[10]ERIKSSON A J.An improved electro geometric model for transmission line shielding analysis[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1987，2（3）：871-886.

[11]杨玉，王思华，赵峰.基于蒙特卡罗法的输电线路绕击跳闸率的计算[J].电瓷避雷器，2016（1）：116-122.YANG Yu，WANG Sihua，ZHAO Feng.Calculation of transmission line shielding failure trip-out rate based on monte carlo method[J].Insulators and Surge Arresters，2016（1）：116-122.

[12]刘守豹，许安，崔涛，等.避雷器在输电线路绕击雷害治理中的应用[J].电瓷避雷器，2014（1）：91-96.LIU Shoubao，XU An，CUI Tao，et al.The use of line arrester in transmission line lightning shielding failure protection[J].Insulators and Surge Arresters，2014（1）：91-96.

[13]康春华.基于引雷空间的建筑物雷击特性研究[D].北京交通大学，2007.

[14]ERIKSSON A J.The Incidence of lightning strikes to power lines[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1987（2）：859-870.

[15]ERIKSSON A J.An improved electrogeometric model for transmission line shielding analysis[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1987，2（3）:871-885.

[16]DALESSANDRO F，PETROV N.Field study on the interception efficiency of lightning protection systems and comparison with models[J].Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical&Engineering Sciences，2009，113（462）:1365-1386.

[17]IEEE Std.1410-2010.IEEE guide for improving the lightning performance of electric power overhead distribution lines[S].

[18]GB50064-2014，交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范[S].

[19]MENDEZ HERNANDEZ Y，BARTON W，TSOVILIS T，et al.A simulation approach in electrostatic charging of rotor blades and its effects on transferred overvoltages in wind parks[C]//2014 International Conference on Lightning Protection （ICLP），2014：1838-1849.

[20]常俊.基于EMTP/ATP的风电场内直击雷过电压及其防护的研究[D].吉林：东北电力大学，2015.

[21]王晓辉，张小青.风电机组塔体的雷电暂态计算模型[J].系统仿真学报，2009，21（16）：4998-5001.WANG Xiaohui，ZHANG Xiaoqing.Lightningtransient model of wind turbine towers[J].Journal of System Simulation，2009，21（16）：4998-5001.

[22]余光凯，张博，鲁铁成，等.风电场雷电反击暂态计算与分析[J].电瓷避雷器，2015（6）：136-141.YU Guangkai，ZHANG Bo，LU Tiecheng，et al.Transient calculation and analysis on lightning back striking of wind farm[J].Insulators and Surge Arresters，2015（6）：136-141.

[23]肖翔.风电机组雷电过电压防护研究[D].北京：北京交通大学，2010.

[24]肖如泉.高压电工基础[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

[25]纪一鸣，吴奎猛，殷乐，等.风电机组雷击损伤分析与防护[J].山东电力技术，2014（5）：30-32.JI Yiming，WU Kuimeng，YIN Le，et al.Analysis and protection of lightning damages for wind turbines[J].Shandong Electric Power，2014（5）：30-32.

Analysis and Protection of Lightning Shielding Failure of Wind Turbine

ZHOU Chanyuan
（Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411100，China）

The height of wind turbine towers and the length of blades increase continuously with the development of wind power generation.It is expected that wind turbines will suffer more lightning strokes.It is important to analyze shielding failure of receptors in the blade tip since every part of the wind turbines may be stroke by direct lightning.Shielding failure phenomena for wind turbines is discussed based on attractive radius theory.Maximum shielding failure current and shielding failure probability are also calculated.A complete model of the wind turbine is established in ATP-EMTP to analyze protective effects of the down conductor in lightning current shunting.Results show that:Maximum shielding failure current and shielding failure probability both increase with rotation angle of the blade;it is necessary to install lightning rod in the tail of the nacelle;and adding a down conductor could provide a good pathway for lightning current shunting.Measures must be taken to protect anemometers and navigational lights from lightning counterattack risks.

wind turbine；tower；lightning；shielding failure；lightning rod；down conductor

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.015

2016-08-08

周婵媛 （1996—），女，学士，研究方向：电气工程及自动化专业。