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

周歧斌， 王 玺， 史一泽， 边晓燕

(1.上海电力大学电气工程学院， 上海 200090； 2.上海大学机电工程与自动化学院， 上海 200444)

0 引 言

雷电是一种大规模静电放电现象，主要存在于异号带电云层之间或带电云层与大地之间，同时，雷电对周围环境造成一定的电磁危害[1-2]。“云-地”线状雷电发生时，回击通道中的雷电流幅值可达几十万安培，电流上升率可达每微秒几万安培。如此剧烈的电流变化会使通道及其周围释放大量的焦耳热、产生强烈的电动力效应和电磁脉冲辐射效应，而电磁脉冲辐射会对电子电气器件的安全正常工作造成严重威胁[3-4]。

近年来风电产业发展迅速，越来越多的风电场兴建起来。随着风电机组功率的增大，高度也从几十米达到一百多米，而且风电机组往往安装在山地、草原和沿海等易遭雷击的地带[5-6]。风电机组作为风电场中最贵重的设备，一旦发生雷击事故，不仅会影响风电机组的稳定运行，同时也会造成巨大的经济损失，因此风机的防雷保护是整个机组设计当中最重要的方面[7-8]。

目前国内外对于风机遭受雷击损坏机理的研究主要集中在直击雷对叶片的破坏效应研究[9]。文献[10]利用有限元仿真软件，基于风机叶片上行先导发展过程的简化模型，提出了临界长度判据。文献[11]通过引雷空间法中的吸引半径理论分析风机绕击现象，计算最大屏蔽失效概率和绕击概率，并讨论了增加专设引下线对雷电流泄流效果的影响。此外，有学者基于对“云-地”线状雷电先导发展的机理研究，通过有限元仿真软件对叶片电位分布进行了仿真，并进一步研究了接闪器位置、数量和尺寸对叶片表面电位分布的影响[12-13]。文献[14]利用典型2 MW风机的1∶30微缩模型对实际风机的叶尖线速度进行模拟，研究了叶片转动对间隙击穿特性以及引雷能力的影响。

一直以来，国内外对机舱的防雷保护装置研究较少，常用的防雷设计是在机舱尾部气象站上方安装避雷针，通过塔筒形成接地[15]。这样的布置方法一方面保护了气象站，另一方面对机舱尾部起到了一定的保护作用。2019年8月6日，大水菠萝风电场46号风机由于遭受雷击，导致机舱烧损[16]。图1为风电机组机舱尾部遭受雷击后的照片，表明目前对机舱尾部的雷击防护措施无法有效避免机舱遭受雷击。因此，对机舱尾部的雷击附着特性和防雷设计的研究是十分必要的。本研究通过有限元仿真软件，分析机舱尾部的雷击附着特性，对比了机舱尾部增设不同接闪装置的雷电防护效果，此外还考虑优化金属桁架增大接闪概率，为实际生产当中风电机组的雷电防护设计提供参考。

图1 风电机组机舱尾部遭受雷击Fig.1 Wind turbine nacelle struck by lightning

1 模型搭建与参数选择

1.1 含金属桁架的机舱模型搭建

风机机舱多使用玻璃纤维增强复合材料(Glass fiber reinforced plastic,GFRP)材料，雷击机舱时，雷电流流过GFRP材料，由于GFRP属于绝缘材料，不利于雷电流的泄放，造成GFRP材料的表面出现穿孔[17-18]，甚至外壳爆裂，因此需要增设独立的引下线系统导引雷电流。为节省成本，一些风机厂家通常使用机舱内部的金属桁架支撑结构作为引流导体。

不同风机生产厂家的金属桁架支撑结构设计不尽相同，气象站避雷针也有环形、针形等不同形状。笔者建立了较为常见的含金属桁架结构的机舱模型，为简化模型，机舱内的电气和控制系统由适当大小的矩形金属块代替，见图2。机舱尾部的气象站上方采用针形避雷针，总长度为4 m，通过引下线与金属桁架相连；金属桁架底部通过引下线与塔筒的引下线相连最终接地。

图2 机舱仿真模型图Fig.2 Simulation model of nacelle

1.2 雷电流参数的选择

自然界的雷云对地放电中，下行负地闪约占地闪总数的90%，云层中向下发展的负极性下行先导与地面物体感应的上行先导连接，产生一次雷击。其中上行先导的发展受多种因素的影响，下行先导在叶片表面感应的电场强度是上行先导发展重要的影响因素。叶片上场强越强的位置越容易激发上行先导，继而越容易与下行先导接触实现雷击。

首次雷击时先导头部和叶片接闪位置的最后一击距离即为雷电击距。先导发展过程中，最后一击决定了雷击具体地附着区域。一般认为，雷电流幅值与雷电击距的关系满足式(1)：

(1)

式中：rc为雷电击距；K、b均为常数。对大地的击距rg增加Kg进行修正，见式(2)：

rg=Kgrc

(2)

本研究选取IEEE规定的击距参数[19]，其中K=8；b=0.65；Kg=1。以幅值10 kA的雷电流波形为例，计算得出雷电击距rc为35 m。

同时，采用下行先导简化雷电流模型，忽略先导分支。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，计算公式为

U50%=110+6d

(3)

式中:U50%为雷电冲击50%击穿电压， kV；d为极间距离，cm。

根据公式(3)可得电极电压为21 MV。当下行先导接近大地时，其底端的高电位将大地表面的电场强度抬高，触发上行先导的起始位置可以确定地面目标的雷击点[20]，而空间电场强度的分布决定了能否触发上行先导。存在大范围强电场的区域触发上行先导进而与下行先导建立雷电通道概率更大，因此，通过叶片及接闪装置静电场仿真分析的方法。为了能够直观地表现接闪装置的雷电防护效果，定义了防护效率，见式(4)：

(4)

其中，Epmax表示接闪装置表面的最高场强，kV/m；ETmax表示机舱尾部区域表面的最高场强，kV/m。KP的值在1～1.25之间，说明接闪装置防护效果较差；KP的值在1.25～1.5之间，说明接闪装置防护效果一般；KP的值大于1.5，说明接闪装置防护效果较好。

1.3 仿真先导位置选择

下行先导从雷云向地面发展的过程中有很强的随机性，而叶片上的雷电保护装置可以对叶片和机舱头部起到保护作用，这一级的保护可有效地处理来自机舱正面和上面的雷电流，对绝大部分的强雷也能起到很好的保护作用。而对于电流较小的弱雷，雷击击距小，相应的滚球半径也较小，图3为通过滚球法计算出的强弱雷在风机叶片与机舱上产生不同雷击的部位，其中强雷的滚球半径为，弱雷的滚球半径为。由此可知，弱雷的雷击点在机组上的分布范围要比强雷的广，同时弱雷的破坏范围也比强雷的更大，传统的防雷布置对于来自机舱尾部后方和侧方的的弱雷无法进行有效的拦截。

图3 强弱雷产生的不同雷击部位Fig.3 Different locations of strong and weak lightning strike

为了全面的仿真机舱尾部附着特性，本研究以机舱尾部表面中心位置为原点，分别设定先导的方向位于机舱尾部的0°、30°、60°、…、180°，见图4。

图4 机舱雷击附着区域仿真图Fig.4 Simulation diagram of lightning attachment zone of the nacelle

2 仿真结果分析

2.1 雷击机舱尾部附着区域仿真

由于下行先导处于机舱尾部0°和180°方向时是对称分布的，即可将对称分布的位置略去，观察下行先导处于0°、30°、60°、90°这4个位置时，机舱尾部电场强度的分布情况。图5为不同先导位置下，机舱表面的电场强度分布图。易知当先导位于0°时，电场分布主要集中在机舱尾部靠近先导的一侧，随着先导位置的改变，电场分布逐渐分散。并且电场强度高的部分主要集中在机舱尾部的边缘部分，该部分靠近金属桁架结构，但由于金属桁架位于机舱内部，若遭受直接雷击则会造成机舱外壳受损，影响使用。

图5 不同先导位置的机舱表面电场强度分布图Fig.5 Distribution of electric field strength on the surface of the nacelle with different leader positions

表1为先导在不同位置时机舱表面与气象站避雷针的最高电场强度，以及防护效率。

表1 机舱表面和气象站避雷针的最高电场强度值Table 1 The maximum electric field strength value of the surface of engine room and the lightning rod of meteorological station

由表1可发现，气象站避雷针上的最高场强与机舱表面的最高场强相差不大，防护效率均小于1.25，防护效率较差。由此可知，仅凭气象站上方的避雷针无法对机舱尾部区域起到完全有效的保护。而且当先导的位置处于90°时，气象站避雷针的防护效率最低，防护效果最差。

2.2 不同接闪装置的接闪效果

雷电接闪装置的作用是承担直接电击，将雷电电流完全传导至引下线，故应具有足够的横截面积。一般对于金属雷电接闪装置来说，最小横截面积为50 mm2[20]。由于到气象站对的避雷针位于机舱尾部上方中间的位置，无法起到有效的雷电防护效果，所以需要增设接闪装置，起到有效保护机舱的作用。

由图5可知，机舱尾部电场强度较高的区域主要集中在边缘，说明在实际情况中，靠近机舱尾部边缘的位置遭受雷击风险较高，所以考虑在机舱尾部的4个角增设接闪装置，分析其对机舱尾部的雷击防护效果。选择防护效率最差的先导位于90°的情况，将饼状接闪器或不同长度避雷针布置在尾部的左右两侧，对比它们的防护效率。饼状接闪器和避雷针的横截面积均为50 mm2，避雷针分为10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm 5种不同的长度并且针尖朝向机舱的正后方，得出不同尺寸接闪装置的雷击防护效率。由于风机结构的对称性，以左上角增设的接闪装置为例，得到不同接闪装置表面和附近机舱表面的最高场强，计算出防护效率，见表2。

表2 不同尺寸接闪装置的雷击防护效率Table 2 Lightning protection efficiency of different size air terminations

由表2可知，不管是外加饼状接闪器，还是外加不同长度的避雷针，防护效率均大于1.5。由此可见，增设接闪装置对机舱尾部的直击雷防护效果具有显著的提升。并且，避雷针的防护效率高于饼状接闪器，防护效果更好。同时，随着避雷针长度的增加，防护效率呈现了先增大后减小的趋势，说明在一定的长度范围内，避雷针对机舱尾部的防护效果与避雷针的长度并不是正比关系。

图6为不同接闪装置下的电场强度分布图，可以发现饼状接闪器场强最高的位置在端部，但是不同长度的避雷针场强最高的位置并不全都在避雷针针尖位置，这进一步说明在一定范围内，避雷针的长度与机舱尾部的防护效率不呈正相关。

图6 不同接闪装置下的电场强度分布图Fig.6 Distribution of electric field strength of different size air termination

2.3 避雷针的布置对接闪效果的影响

通过上述仿真分析可知，避雷针的防护效果较饼状接闪器更好。由于避雷针结构不同于饼状接闪器，考虑到下行先导的随机性，避雷针针尖的朝向可能会对其防护效果产生影响。取下行先导处于0°、30°、60°、90°这4个不同的位置，将长度外20 cm 避雷针的朝向分别设置为y轴正方向、x轴正方向、z轴正方向、坐标(1,1,1)方向，见图7。并称之为方案1、方案2、方案3和方案4，见表3。

图7 不同朝向的避雷针布置图Fig.7 Layout of lightning rods in different directions

表3 避雷针的不同布置方案Table 3 Different arrangement of lightning rod

图8为不同先导位置下各朝向避雷针的防护效率，从图8可以看出，4种方案的防护效率受先导位置的影响均不明显；不同先导情况下，方案1的避雷针防护效率相较于其他方案均是最高的，且先导位于90°时方案1的防护效率最佳；当先导位于0°和30°时，方案2与方案4的防护效率相当，当先导位于60°和90°时，方案2的防护效率高于方案4；此外，无论先导的位置如何，方案3的防护效率均略小于1，无法对机舱尾部起到有效的防护效果，考虑是由于方案3与气象站避雷针的朝向相同，且与避雷针相比，此时金属桁架的接闪效果增强，对机舱表面电场分布产生影响，从而避雷针的防护作用被削弱。

图8 不同先导位置下各朝向避雷针的防护效率Fig.8 Protection efficiency of lightning rod in different leader positions

2.4 改进金属桁架对接闪效果的影响

通过仿真对比不同防雷装置的布置对机舱雷电防护的作用，发现沿y轴正方向布置的避雷针防护效果最佳。与此同时，风机生产者可以在机舱制造的过程中对机舱尾部的金属桁架进行改进和优化，提升防雷装置的接闪效率。在保证金属桁架对机舱支撑作用的情况下，去除尾部上下两根末端横梁，改用三角支撑结构，图9为改进前后的机舱尾部金属桁架。

图9 改进前后的机舱尾部金属桁架Fig.9 Metal truss at the rear of nacelle before and after improvement

选择先导位置位于90°的情况，针对改进后的金属桁架进行机舱尾部电场强度分布仿真，图10为增设避雷针前后尾部电场强度分布图，其中尾部长度为20 cm的避雷针沿y轴正方向布置。通过图10(a) 可以发现通过对金属桁架的优化，电场强度较高的区域在机舱尾部边缘的拐角处，且电场分布更为集中，这样可以增大接闪器接闪的概率。图10(b) 为尾部增设避雷针后的电场分布图，可以发现避雷针上的电场强度较大，同时机舱表面的电场强度大幅减小，通过计算，此时防护效率，对比金属桁架优化前的防护效率，机舱尾部的雷电防护效率提升了13%。

图10 改进后的机舱尾部电场分布图Fig.10 Distribution of electric field strength of nacelle after improvement

由此可知，改进的金属桁架在雷击时可以起到改善机舱尾部电场分布的作用，再配合合适的避雷针布置方案，对机舱尾部能够起到较好的防雷效果。

3 结 论

1)基于金属桁架在机舱内的实际安装结构，建立了含金属桁架和气象站避雷针的机舱模型。分析表明，气象站避雷针对于机舱侧后方的雷击防护效果有限，且当先导出现在机舱尾部正后方时，气象站避雷针的防护效率最低。

2)通过对比机舱尾部增设不同接闪装置的电场分布计算结果，避雷针的接闪效果优于饼状接闪器，且长度为20 cm的避雷针防护效率最高；在先导位置不同情况下，分析不同朝向的避雷针的防护效率，发现沿y轴正方向布置，即水平向后的布置方式防护效率最高且受先导位置改变的影响较小。

3)提出了一种机舱金属桁架的改进形式，通过仿真分析可得，改进金属桁架后机舱尾部电场分布更集中。同时，改进金属桁架并结合恰当的避雷针增设方案，可以显著提升机舱尾部的防雷效率。

本研究计算了含金属桁架的机舱尾部的表面场强分布，研究了下行先导的位置对机舱尾部雷击附着特性的影响；分析不同接闪装置对机舱尾部附着特性的影响；对机舱尾部的直击雷防护提出了防护措施并仿真验证了防护效果，对实际工程实践提供了相关参考作用。