周歧斌， 王 璽， 史一澤， 邊曉燕

(1.上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院， 上海 200090； 2.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院， 上海 200444)

0 引 言

雷電是一種大規(guī)模靜電放電現(xiàn)象，主要存在于異號(hào)帶電云層之間或帶電云層與大地之間，同時(shí)，雷電對(duì)周?chē)h(huán)境造成一定的電磁危害[1-2]?！霸?地”線(xiàn)狀雷電發(fā)生時(shí)，回?fù)敉ǖ乐械睦纂娏鞣悼蛇_(dá)幾十萬(wàn)安培，電流上升率可達(dá)每微秒幾萬(wàn)安培。如此劇烈的電流變化會(huì)使通道及其周?chē)尫糯罅康慕苟鸁?、產(chǎn)生強(qiáng)烈的電動(dòng)力效應(yīng)和電磁脈沖輻射效應(yīng)，而電磁脈沖輻射會(huì)對(duì)電子電氣器件的安全正常工作造成嚴(yán)重威脅[3-4]。

近年來(lái)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，越來(lái)越多的風(fēng)電場(chǎng)興建起來(lái)。隨著風(fēng)電機(jī)組功率的增大，高度也從幾十米達(dá)到一百多米，而且風(fēng)電機(jī)組往往安裝在山地、草原和沿海等易遭雷擊的地帶[5-6]。風(fēng)電機(jī)組作為風(fēng)電場(chǎng)中最貴重的設(shè)備，一旦發(fā)生雷擊事故，不僅會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此風(fēng)機(jī)的防雷保護(hù)是整個(gè)機(jī)組設(shè)計(jì)當(dāng)中最重要的方面[7-8]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于風(fēng)機(jī)遭受雷擊損壞機(jī)理的研究主要集中在直擊雷對(duì)葉片的破壞效應(yīng)研究[9]。文獻(xiàn)[10]利用有限元仿真軟件，基于風(fēng)機(jī)葉片上行先導(dǎo)發(fā)展過(guò)程的簡(jiǎn)化模型，提出了臨界長(zhǎng)度判據(jù)。文獻(xiàn)[11]通過(guò)引雷空間法中的吸引半徑理論分析風(fēng)機(jī)繞擊現(xiàn)象，計(jì)算最大屏蔽失效概率和繞擊概率，并討論了增加專(zhuān)設(shè)引下線(xiàn)對(duì)雷電流泄流效果的影響。此外，有學(xué)者基于對(duì)“云-地”線(xiàn)狀雷電先導(dǎo)發(fā)展的機(jī)理研究，通過(guò)有限元仿真軟件對(duì)葉片電位分布進(jìn)行了仿真，并進(jìn)一步研究了接閃器位置、數(shù)量和尺寸對(duì)葉片表面電位分布的影響[12-13]。文獻(xiàn)[14]利用典型2 MW風(fēng)機(jī)的1∶30微縮模型對(duì)實(shí)際風(fēng)機(jī)的葉尖線(xiàn)速度進(jìn)行模擬，研究了葉片轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)間隙擊穿特性以及引雷能力的影響。

一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)艙的防雷保護(hù)裝置研究較少，常用的防雷設(shè)計(jì)是在機(jī)艙尾部氣象站上方安裝避雷針，通過(guò)塔筒形成接地[15]。這樣的布置方法一方面保護(hù)了氣象站，另一方面對(duì)機(jī)艙尾部起到了一定的保護(hù)作用。2019年8月6日，大水菠蘿風(fēng)電場(chǎng)46號(hào)風(fēng)機(jī)由于遭受雷擊，導(dǎo)致機(jī)艙燒損[16]。圖1為風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙尾部遭受雷擊后的照片，表明目前對(duì)機(jī)艙尾部的雷擊防護(hù)措施無(wú)法有效避免機(jī)艙遭受雷擊。因此，對(duì)機(jī)艙尾部的雷擊附著特性和防雷設(shè)計(jì)的研究是十分必要的。本研究通過(guò)有限元仿真軟件，分析機(jī)艙尾部的雷擊附著特性，對(duì)比了機(jī)艙尾部增設(shè)不同接閃裝置的雷電防護(hù)效果，此外還考慮優(yōu)化金屬桁架增大接閃概率，為實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中風(fēng)電機(jī)組的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

圖1 風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙尾部遭受雷擊Fig.1 Wind turbine nacelle struck by lightning

1 模型搭建與參數(shù)選擇

1.1 含金屬桁架的機(jī)艙模型搭建

風(fēng)機(jī)機(jī)艙多使用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Glass fiber reinforced plastic,GFRP)材料，雷擊機(jī)艙時(shí)，雷電流流過(guò)GFRP材料，由于GFRP屬于絕緣材料，不利于雷電流的泄放，造成GFRP材料的表面出現(xiàn)穿孔[17-18]，甚至外殼爆裂，因此需要增設(shè)獨(dú)立的引下線(xiàn)系統(tǒng)導(dǎo)引雷電流。為節(jié)省成本，一些風(fēng)機(jī)廠(chǎng)家通常使用機(jī)艙內(nèi)部的金屬桁架支撐結(jié)構(gòu)作為引流導(dǎo)體。

不同風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)家的金屬桁架支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不盡相同，氣象站避雷針也有環(huán)形、針形等不同形狀。筆者建立了較為常見(jiàn)的含金屬桁架結(jié)構(gòu)的機(jī)艙模型，為簡(jiǎn)化模型，機(jī)艙內(nèi)的電氣和控制系統(tǒng)由適當(dāng)大小的矩形金屬塊代替，見(jiàn)圖2。機(jī)艙尾部的氣象站上方采用針形避雷針，總長(zhǎng)度為4 m，通過(guò)引下線(xiàn)與金屬桁架相連；金屬桁架底部通過(guò)引下線(xiàn)與塔筒的引下線(xiàn)相連最終接地。

圖2 機(jī)艙仿真模型圖Fig.2 Simulation model of nacelle

1.2 雷電流參數(shù)的選擇

自然界的雷云對(duì)地放電中，下行負(fù)地閃約占地閃總數(shù)的90%，云層中向下發(fā)展的負(fù)極性下行先導(dǎo)與地面物體感應(yīng)的上行先導(dǎo)連接，產(chǎn)生一次雷擊。其中上行先導(dǎo)的發(fā)展受多種因素的影響，下行先導(dǎo)在葉片表面感應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度是上行先導(dǎo)發(fā)展重要的影響因素。葉片上場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)的位置越容易激發(fā)上行先導(dǎo)，繼而越容易與下行先導(dǎo)接觸實(shí)現(xiàn)雷擊。

首次雷擊時(shí)先導(dǎo)頭部和葉片接閃位置的最后一擊距離即為雷電擊距。先導(dǎo)發(fā)展過(guò)程中，最后一擊決定了雷擊具體地附著區(qū)域。一般認(rèn)為，雷電流幅值與雷電擊距的關(guān)系滿(mǎn)足式(1)：

(1)

式中：rc為雷電擊距；K、b均為常數(shù)。對(duì)大地的擊距rg增加Kg進(jìn)行修正，見(jiàn)式(2)：

rg=Kgrc

(2)

本研究選取IEEE規(guī)定的擊距參數(shù)[19]，其中K=8；b=0.65；Kg=1。以幅值10 kA的雷電流波形為例，計(jì)算得出雷電擊距rc為35 m。

同時(shí)，采用下行先導(dǎo)簡(jiǎn)化雷電流模型，忽略先導(dǎo)分支。用棒狀電極模擬下行先導(dǎo)頭部，電極電壓取空氣中棒間隙的負(fù)極性雷電沖擊50%擊穿電壓，計(jì)算公式為

U50%=110+6d

(3)

式中:U50%為雷電沖擊50%擊穿電壓， kV；d為極間距離，cm。

根據(jù)公式(3)可得電極電壓為21 MV。當(dāng)下行先導(dǎo)接近大地時(shí)，其底端的高電位將大地表面的電場(chǎng)強(qiáng)度抬高，觸發(fā)上行先導(dǎo)的起始位置可以確定地面目標(biāo)的雷擊點(diǎn)[20]，而空間電場(chǎng)強(qiáng)度的分布決定了能否觸發(fā)上行先導(dǎo)。存在大范圍強(qiáng)電場(chǎng)的區(qū)域觸發(fā)上行先導(dǎo)進(jìn)而與下行先導(dǎo)建立雷電通道概率更大，因此，通過(guò)葉片及接閃裝置靜電場(chǎng)仿真分析的方法。為了能夠直觀(guān)地表現(xiàn)接閃裝置的雷電防護(hù)效果，定義了防護(hù)效率，見(jiàn)式(4)：

(4)

其中，Epmax表示接閃裝置表面的最高場(chǎng)強(qiáng)，kV/m；ETmax表示機(jī)艙尾部區(qū)域表面的最高場(chǎng)強(qiáng)，kV/m。KP的值在1～1.25之間，說(shuō)明接閃裝置防護(hù)效果較差；KP的值在1.25～1.5之間，說(shuō)明接閃裝置防護(hù)效果一般；KP的值大于1.5，說(shuō)明接閃裝置防護(hù)效果較好。

1.3 仿真先導(dǎo)位置選擇

下行先導(dǎo)從雷云向地面發(fā)展的過(guò)程中有很強(qiáng)的隨機(jī)性，而葉片上的雷電保護(hù)裝置可以對(duì)葉片和機(jī)艙頭部起到保護(hù)作用，這一級(jí)的保護(hù)可有效地處理來(lái)自機(jī)艙正面和上面的雷電流，對(duì)絕大部分的強(qiáng)雷也能起到很好的保護(hù)作用。而對(duì)于電流較小的弱雷，雷擊擊距小，相應(yīng)的滾球半徑也較小，圖3為通過(guò)滾球法計(jì)算出的強(qiáng)弱雷在風(fēng)機(jī)葉片與機(jī)艙上產(chǎn)生不同雷擊的部位，其中強(qiáng)雷的滾球半徑為，弱雷的滾球半徑為。由此可知，弱雷的雷擊點(diǎn)在機(jī)組上的分布范圍要比強(qiáng)雷的廣，同時(shí)弱雷的破壞范圍也比強(qiáng)雷的更大，傳統(tǒng)的防雷布置對(duì)于來(lái)自機(jī)艙尾部后方和側(cè)方的的弱雷無(wú)法進(jìn)行有效的攔截。

圖3 強(qiáng)弱雷產(chǎn)生的不同雷擊部位Fig.3 Different locations of strong and weak lightning strike

為了全面的仿真機(jī)艙尾部附著特性，本研究以機(jī)艙尾部表面中心位置為原點(diǎn)，分別設(shè)定先導(dǎo)的方向位于機(jī)艙尾部的0°、30°、60°、…、180°，見(jiàn)圖4。

圖4 機(jī)艙雷擊附著區(qū)域仿真圖Fig.4 Simulation diagram of lightning attachment zone of the nacelle

2 仿真結(jié)果分析

2.1 雷擊機(jī)艙尾部附著區(qū)域仿真

由于下行先導(dǎo)處于機(jī)艙尾部0°和180°方向時(shí)是對(duì)稱(chēng)分布的，即可將對(duì)稱(chēng)分布的位置略去，觀(guān)察下行先導(dǎo)處于0°、30°、60°、90°這4個(gè)位置時(shí)，機(jī)艙尾部電場(chǎng)強(qiáng)度的分布情況。圖5為不同先導(dǎo)位置下，機(jī)艙表面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。易知當(dāng)先導(dǎo)位于0°時(shí)，電場(chǎng)分布主要集中在機(jī)艙尾部靠近先導(dǎo)的一側(cè)，隨著先導(dǎo)位置的改變，電場(chǎng)分布逐漸分散。并且電場(chǎng)強(qiáng)度高的部分主要集中在機(jī)艙尾部的邊緣部分，該部分靠近金屬桁架結(jié)構(gòu)，但由于金屬桁架位于機(jī)艙內(nèi)部，若遭受直接雷擊則會(huì)造成機(jī)艙外殼受損，影響使用。

圖5 不同先導(dǎo)位置的機(jī)艙表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖Fig.5 Distribution of electric field strength on the surface of the nacelle with different leader positions

表1為先導(dǎo)在不同位置時(shí)機(jī)艙表面與氣象站避雷針的最高電場(chǎng)強(qiáng)度，以及防護(hù)效率。

表1 機(jī)艙表面和氣象站避雷針的最高電場(chǎng)強(qiáng)度值Table 1 The maximum electric field strength value of the surface of engine room and the lightning rod of meteorological station

由表1可發(fā)現(xiàn)，氣象站避雷針上的最高場(chǎng)強(qiáng)與機(jī)艙表面的最高場(chǎng)強(qiáng)相差不大，防護(hù)效率均小于1.25，防護(hù)效率較差。由此可知，僅憑氣象站上方的避雷針無(wú)法對(duì)機(jī)艙尾部區(qū)域起到完全有效的保護(hù)。而且當(dāng)先導(dǎo)的位置處于90°時(shí)，氣象站避雷針的防護(hù)效率最低，防護(hù)效果最差。

2.2 不同接閃裝置的接閃效果

雷電接閃裝置的作用是承擔(dān)直接電擊，將雷電電流完全傳導(dǎo)至引下線(xiàn)，故應(yīng)具有足夠的橫截面積。一般對(duì)于金屬雷電接閃裝置來(lái)說(shuō)，最小橫截面積為50 mm2[20]。由于到氣象站對(duì)的避雷針位于機(jī)艙尾部上方中間的位置，無(wú)法起到有效的雷電防護(hù)效果，所以需要增設(shè)接閃裝置，起到有效保護(hù)機(jī)艙的作用。

由圖5可知，機(jī)艙尾部電場(chǎng)強(qiáng)度較高的區(qū)域主要集中在邊緣，說(shuō)明在實(shí)際情況中，靠近機(jī)艙尾部邊緣的位置遭受雷擊風(fēng)險(xiǎn)較高，所以考慮在機(jī)艙尾部的4個(gè)角增設(shè)接閃裝置，分析其對(duì)機(jī)艙尾部的雷擊防護(hù)效果。選擇防護(hù)效率最差的先導(dǎo)位于90°的情況，將餅狀接閃器或不同長(zhǎng)度避雷針布置在尾部的左右兩側(cè)，對(duì)比它們的防護(hù)效率。餅狀接閃器和避雷針的橫截面積均為50 mm2，避雷針?lè)譃?0 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm 5種不同的長(zhǎng)度并且針尖朝向機(jī)艙的正后方，得出不同尺寸接閃裝置的雷擊防護(hù)效率。由于風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，以左上角增設(shè)的接閃裝置為例，得到不同接閃裝置表面和附近機(jī)艙表面的最高場(chǎng)強(qiáng)，計(jì)算出防護(hù)效率，見(jiàn)表2。

表2 不同尺寸接閃裝置的雷擊防護(hù)效率Table 2 Lightning protection efficiency of different size air terminations

由表2可知，不管是外加餅狀接閃器，還是外加不同長(zhǎng)度的避雷針，防護(hù)效率均大于1.5。由此可見(jiàn)，增設(shè)接閃裝置對(duì)機(jī)艙尾部的直擊雷防護(hù)效果具有顯著的提升。并且，避雷針的防護(hù)效率高于餅狀接閃器，防護(hù)效果更好。同時(shí)，隨著避雷針長(zhǎng)度的增加，防護(hù)效率呈現(xiàn)了先增大后減小的趨勢(shì)，說(shuō)明在一定的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，避雷針對(duì)機(jī)艙尾部的防護(hù)效果與避雷針的長(zhǎng)度并不是正比關(guān)系。

圖6為不同接閃裝置下的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，可以發(fā)現(xiàn)餅狀接閃器場(chǎng)強(qiáng)最高的位置在端部，但是不同長(zhǎng)度的避雷針場(chǎng)強(qiáng)最高的位置并不全都在避雷針針尖位置，這進(jìn)一步說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，避雷針的長(zhǎng)度與機(jī)艙尾部的防護(hù)效率不呈正相關(guān)。

圖6 不同接閃裝置下的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖Fig.6 Distribution of electric field strength of different size air termination

2.3 避雷針的布置對(duì)接閃效果的影響

通過(guò)上述仿真分析可知，避雷針的防護(hù)效果較餅狀接閃器更好。由于避雷針結(jié)構(gòu)不同于餅狀接閃器，考慮到下行先導(dǎo)的隨機(jī)性，避雷針針尖的朝向可能會(huì)對(duì)其防護(hù)效果產(chǎn)生影響。取下行先導(dǎo)處于0°、30°、60°、90°這4個(gè)不同的位置，將長(zhǎng)度外20 cm 避雷針的朝向分別設(shè)置為y軸正方向、x軸正方向、z軸正方向、坐標(biāo)(1,1,1)方向，見(jiàn)圖7。并稱(chēng)之為方案1、方案2、方案3和方案4，見(jiàn)表3。

圖7 不同朝向的避雷針布置圖Fig.7 Layout of lightning rods in different directions

表3 避雷針的不同布置方案Table 3 Different arrangement of lightning rod

圖8為不同先導(dǎo)位置下各朝向避雷針的防護(hù)效率，從圖8可以看出，4種方案的防護(hù)效率受先導(dǎo)位置的影響均不明顯；不同先導(dǎo)情況下，方案1的避雷針?lè)雷o(hù)效率相較于其他方案均是最高的，且先導(dǎo)位于90°時(shí)方案1的防護(hù)效率最佳；當(dāng)先導(dǎo)位于0°和30°時(shí)，方案2與方案4的防護(hù)效率相當(dāng)，當(dāng)先導(dǎo)位于60°和90°時(shí)，方案2的防護(hù)效率高于方案4；此外，無(wú)論先導(dǎo)的位置如何，方案3的防護(hù)效率均略小于1，無(wú)法對(duì)機(jī)艙尾部起到有效的防護(hù)效果，考慮是由于方案3與氣象站避雷針的朝向相同，且與避雷針相比，此時(shí)金屬桁架的接閃效果增強(qiáng)，對(duì)機(jī)艙表面電場(chǎng)分布產(chǎn)生影響，從而避雷針的防護(hù)作用被削弱。

圖8 不同先導(dǎo)位置下各朝向避雷針的防護(hù)效率Fig.8 Protection efficiency of lightning rod in different leader positions

2.4 改進(jìn)金屬桁架對(duì)接閃效果的影響

通過(guò)仿真對(duì)比不同防雷裝置的布置對(duì)機(jī)艙雷電防護(hù)的作用，發(fā)現(xiàn)沿y軸正方向布置的避雷針?lè)雷o(hù)效果最佳。與此同時(shí)，風(fēng)機(jī)生產(chǎn)者可以在機(jī)艙制造的過(guò)程中對(duì)機(jī)艙尾部的金屬桁架進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，提升防雷裝置的接閃效率。在保證金屬桁架對(duì)機(jī)艙支撐作用的情況下，去除尾部上下兩根末端橫梁，改用三角支撐結(jié)構(gòu)，圖9為改進(jìn)前后的機(jī)艙尾部金屬桁架。

圖9 改進(jìn)前后的機(jī)艙尾部金屬桁架Fig.9 Metal truss at the rear of nacelle before and after improvement

選擇先導(dǎo)位置位于90°的情況，針對(duì)改進(jìn)后的金屬桁架進(jìn)行機(jī)艙尾部電場(chǎng)強(qiáng)度分布仿真，圖10為增設(shè)避雷針前后尾部電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，其中尾部長(zhǎng)度為20 cm的避雷針沿y軸正方向布置。通過(guò)圖10(a) 可以發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)金屬桁架的優(yōu)化，電場(chǎng)強(qiáng)度較高的區(qū)域在機(jī)艙尾部邊緣的拐角處，且電場(chǎng)分布更為集中，這樣可以增大接閃器接閃的概率。圖10(b) 為尾部增設(shè)避雷針后的電場(chǎng)分布圖，可以發(fā)現(xiàn)避雷針上的電場(chǎng)強(qiáng)度較大，同時(shí)機(jī)艙表面的電場(chǎng)強(qiáng)度大幅減小，通過(guò)計(jì)算，此時(shí)防護(hù)效率，對(duì)比金屬桁架優(yōu)化前的防護(hù)效率，機(jī)艙尾部的雷電防護(hù)效率提升了13%。

圖10 改進(jìn)后的機(jī)艙尾部電場(chǎng)分布圖Fig.10 Distribution of electric field strength of nacelle after improvement

由此可知，改進(jìn)的金屬桁架在雷擊時(shí)可以起到改善機(jī)艙尾部電場(chǎng)分布的作用，再配合合適的避雷針布置方案，對(duì)機(jī)艙尾部能夠起到較好的防雷效果。

3 結(jié) 論

1)基于金屬桁架在機(jī)艙內(nèi)的實(shí)際安裝結(jié)構(gòu)，建立了含金屬桁架和氣象站避雷針的機(jī)艙模型。分析表明，氣象站避雷針對(duì)于機(jī)艙側(cè)后方的雷擊防護(hù)效果有限，且當(dāng)先導(dǎo)出現(xiàn)在機(jī)艙尾部正后方時(shí)，氣象站避雷針的防護(hù)效率最低。

2)通過(guò)對(duì)比機(jī)艙尾部增設(shè)不同接閃裝置的電場(chǎng)分布計(jì)算結(jié)果，避雷針的接閃效果優(yōu)于餅狀接閃器，且長(zhǎng)度為20 cm的避雷針?lè)雷o(hù)效率最高；在先導(dǎo)位置不同情況下，分析不同朝向的避雷針的防護(hù)效率，發(fā)現(xiàn)沿y軸正方向布置，即水平向后的布置方式防護(hù)效率最高且受先導(dǎo)位置改變的影響較小。

3)提出了一種機(jī)艙金屬桁架的改進(jìn)形式，通過(guò)仿真分析可得，改進(jìn)金屬桁架后機(jī)艙尾部電場(chǎng)分布更集中。同時(shí)，改進(jìn)金屬桁架并結(jié)合恰當(dāng)?shù)谋芾揍樤鲈O(shè)方案，可以顯著提升機(jī)艙尾部的防雷效率。

本研究計(jì)算了含金屬桁架的機(jī)艙尾部的表面場(chǎng)強(qiáng)分布，研究了下行先導(dǎo)的位置對(duì)機(jī)艙尾部雷擊附著特性的影響；分析不同接閃裝置對(duì)機(jī)艙尾部附著特性的影響；對(duì)機(jī)艙尾部的直擊雷防護(hù)提出了防護(hù)措施并仿真驗(yàn)證了防護(hù)效果，對(duì)實(shí)際工程實(shí)踐提供了相關(guān)參考作用。