云南省元江縣羊岔街風電場雷擊風險評估

楊 波,杜福生,嚴永全

(玉溪市氣象局，云南 玉溪 653100)

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云南省元江縣羊岔街風電場雷擊風險評估

楊 波,杜福生,嚴永全

(玉溪市氣象局，云南 玉溪 653100)

為準確把握元江縣羊岔街風電場項目附近地域雷電活動規(guī)律，科學(xué)的指導(dǎo)防雷設(shè)計、施工，以減少或避免建(構(gòu))筑物遭受雷擊而引起雷電災(zāi)害，有必要進行雷擊風險評估。本文通過對地質(zhì)地形、雷電活動等因素進行分析，力圖通過雷擊風險評估，尋找存在的主要雷擊風險，得出風電場雷電災(zāi)害的特點及風電場各組成部分的雷擊概率，為項目防雷設(shè)計提供參考。

元江縣羊岔街風電場；雷電活動；防雷設(shè)計

0 引言

雷擊風險評估[1-3]是根據(jù)建設(shè)項目所在地雷電活動時空分布特征及其災(zāi)害特征，結(jié)合現(xiàn)場情況進行分析，對雷電可能導(dǎo)致的人員傷亡、財產(chǎn)損失程度與危害范圍等方面的綜合風險計算，從而為項目選址、功能分區(qū)布局、防雷類別(等級)與防雷措施確定、雷災(zāi)事故應(yīng)急方案等提出建設(shè)性意見的一種評價方法。通過雷擊風險評估可為評估對象提供雷電防護的科①學(xué)設(shè)計、災(zāi)害風險控制、經(jīng)濟投資、應(yīng)急管理等方面服務(wù)，保證防雷工程安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理。雷擊風險評估是開展綜合防雷的必經(jīng)程序，也是實現(xiàn)科學(xué)防雷的必要條件，體現(xiàn)了預(yù)防為主，防治結(jié)合的理念。

1 風電場項目特點

1.1 地理位置概況

云南省元江縣羊岔街風電場所處區(qū)域為典型高原山區(qū)地形，西北高、東南低，山脈為西南東北走向，屬南溫帶氣候，地理坐標約為北緯23°32′20″～23°40′16″和東經(jīng)101°42′19″～101°52′26″，規(guī)劃場址由南北兩個片區(qū)構(gòu)成，規(guī)劃場址山脊總長約35 km，布機區(qū)域海拔在1 890～2 400 m，場址區(qū)面積約為100 km2。區(qū)內(nèi)集電線路擬采用8回35 kv架空線路，設(shè)置110 kv的升壓站兩座。

1.2 土壤電阻率

在防雷裝置設(shè)計施工中，土壤電阻率是一個重要且關(guān)鍵的參數(shù)，它對雷擊選擇性會形成關(guān)鍵影響，該參數(shù)的準確度直接關(guān)系到防雷裝置設(shè)計過程中的科學(xué)設(shè)計，也可能極大的影響到建設(shè)單位投資費用。根據(jù)玉溪市雷電中心實測，元江縣羊岔街風電場所在地土壤電阻率分布較為均勻，土壤電阻率在900～3 200 Ω·m，屬于高土壤電阻率。采集時土壤較濕潤(相對濕度89%)，取季節(jié)系數(shù)m=12，調(diào)整后的土壤電阻率為3 150 Ω·m。

1.3 設(shè)備設(shè)施及其分布

云南省元江縣羊岔街風電場安裝82臺風力發(fā)電機組，工程裝機容量為200 mw，南片區(qū)和北片區(qū)分別為49臺與33臺。風力發(fā)電機組塔筒高度為78 m，槳葉長度49 m，風力發(fā)電機組的有效高度127 m，安裝地元江縣年雷暴日數(shù)60.9天。

南、北片區(qū)風電場各設(shè)一座110kv升壓變電站，風電場所有風機的電能經(jīng)變電站升壓后送入外部電網(wǎng)。110 kv升壓變電站包括主變場、生產(chǎn)樓(含35 kv配電室)、110 kvGIS室，進出線架構(gòu)、電容器場和事故油池、避雷針等。

生產(chǎn)樓是整個風電場的運行控制中心[3,7]，同時也是電場工作人員的辦公場所。生產(chǎn)樓內(nèi)主要設(shè)有中央控制室、繼電保護室、計算機室、直流盤室、蓄電池室、試驗室。輔助生產(chǎn)樓是電場工作人員的生活、活動場所；輔助生產(chǎn)樓內(nèi)主要設(shè)有會議室、宿舍、餐廳及健身房。輔助生產(chǎn)樓附近還布置有車庫、泵房、生活—消防水池等輔助設(shè)施。

2 雷電活動規(guī)律

2.1 北片區(qū)所在區(qū)域雷電監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測的閃電活動規(guī)律分析

2.1.1 北片區(qū)閃電位置分布

經(jīng)查閱云南省雷電監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測資料，并將雷電數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。從圖1 2012～2014年元江縣羊岔街風電場項目北片區(qū)5 km范圍內(nèi)閃電位置分布圖看出，2012～2014年元江縣羊岔街風電場項目北片區(qū)所在區(qū)域5 km范圍內(nèi)雷擊大地次數(shù)約為1 km內(nèi)33個、 3 km內(nèi)211個、 5 km內(nèi)516個閃電，經(jīng)過計算雷擊大地密度為2.19次/(km2·年)，雷電活動較頻繁[6]。

說明：“-”表示負閃電，“+”表示正閃電. Description: “-” negative lightning, “+” positive lightning 圖1 2012～2014年羊岔街風電場項目北片區(qū)5 km范圍內(nèi) 閃電位置分布圖(閃電定位監(jiān)測)Fig.1 Lightning location distribution map (lightning location monitoring) within a radius of 5 kilometers of the north area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

2.1.2 北片區(qū)閃電強度、次數(shù)分析

經(jīng)統(tǒng)計計算，從圖2、圖3中可以看出，2012～2014年中元江縣羊岔街風電場項目北片區(qū)5 km范圍內(nèi)共發(fā)生閃電516次，其中正閃電34次，負閃電482次，正負閃電比例為 1∶14。閃電強度最大出現(xiàn)在9月份，發(fā)生閃電最多次數(shù)在8月份，大部分雷電流幅值在40 kA以下。對于元江縣羊岔街風電場項目北片區(qū)防雷保護等級而言，從經(jīng)濟合理的角度考慮，選擇最大雷電流幅值為170 kA是可行的[6]。

圖2 2012～2014年羊岔街風電場項目北片區(qū)5 km范圍內(nèi) 閃電強度分布圖(閃電定位監(jiān)測)Fig.2 Lightning intensity distribution map (lightning location monitoring) within a radius of 5 kilometers of the north area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

圖3 2012～2014年羊岔街風電場項目北片區(qū)5 km范圍內(nèi) 閃電最大強度、閃電次數(shù)統(tǒng)計圖(閃電定位監(jiān)測)Fig.3 The maximum intensity of lightning and lightning frequency statistical chart (lightning location monitoring) within a radius of 5 kilometers of the north area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

2.1.3 北片區(qū)閃電活動月分布

查閱云南省雷電監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測資料，并將各月雷電數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。從圖4中元江縣羊岔街風電場項目北片區(qū)5 km范圍內(nèi)閃電月分布圖可以看出，閃電主要出現(xiàn)在4～9月份，其中8月份出現(xiàn)的閃電為最多，8月份的閃電次數(shù)占所有閃電次數(shù)的比例為30%[6]。

圖4 2012～2014年羊岔街風電場項目北片區(qū) 5 km范圍內(nèi)閃電月分布圖Fig.4 Lightning monthly distribution map within a radius of 5 kilometers of the north area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

2.2 南片區(qū)所在區(qū)域雷電監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測的閃電活動規(guī)律分析

2.2.1 南片區(qū)閃電密度分析

經(jīng)查閱云南省雷電監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測資料，并將雷電數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。從圖5 2012～2014年元江縣羊岔街風電場項目南片區(qū)5 km范圍內(nèi)閃電位置分布圖看出，2012～2014年中元江縣羊岔街風電場項目南片區(qū)所在區(qū)域5 km范圍內(nèi)雷擊大地次數(shù)約為1 km內(nèi)49個、 3 km內(nèi)335個、 5 km內(nèi)710個閃電，雷擊大地密度為3.01次/(km2·年)，雷電活動較頻繁。

說明：“-”表示負閃電，“+”表示正閃電。 Description: “-” negative lightning, “+” positive lightning 圖5 2012-2014年羊岔街風電場項目南片區(qū)5公里范圍內(nèi) 閃電位置分布圖(閃電定位監(jiān)測)Fig.5 Lightning location distribution map (lightning location monitoring) within a radius of 5 kilometers of the south area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

2.2.1 南片區(qū)閃電強度、次數(shù)分析

經(jīng)統(tǒng)計計算，從圖6、圖7中可以看出，2012-2014年元江縣羊岔街風電場項目南片區(qū)5公里范圍內(nèi)共發(fā)生閃電710次，其中正閃電24次，負閃電686次，正負閃電比例為 1∶29。閃電強度最大出現(xiàn)在8月份，發(fā)生閃電最多次數(shù)在6月份，大部分雷電流幅值在40kA以下。對于中廣核玉溪元江羊岔街風電場項目南片區(qū)防雷保護等級而言，從經(jīng)濟合理的角度考慮，選擇最大雷電流幅值為220KA是可行的[6]。

圖6 2012～2014年羊岔街風電場項目南片區(qū)5 km范圍 內(nèi)閃電強度分布圖(閃電定位監(jiān)測)Fig.6 Lightning intensity distribution map (lightning location monitoring) within a radius of 5 kilometers of the south area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

圖7 2012～2014年羊岔街風電場項目南片區(qū)5 km范圍 內(nèi)閃電最大強度、閃電次數(shù)統(tǒng)計圖(閃電定位監(jiān)測)Fig.7 The maximum intensity of lightning and lightning frequency statistical chart (lightning location monitoring) within a radius of 5 kilometers of the south area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

2.2.2 南片區(qū)閃電活動月分布

查閱云南省雷電監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測資料，并將各月雷電數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。從圖8中中廣核玉溪元江羊岔街風電場項目南片區(qū)5 km范圍內(nèi)閃電月分布圖可以看出，閃電主要出現(xiàn)在4～9月份，其中6月份出現(xiàn)的閃電為最多，6月份的閃電次數(shù)占所有閃電次數(shù)的比例為34%。

圖8 2012～2014年羊岔街風電場項目南片區(qū) 5 km范圍內(nèi)閃電月分布圖

Fig.8 Lightning monthly distribution map within a radius of 5 kilometers of the south area of Yangcha Street wind farm project, 2012-2014

綜合以上云南省雷電監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，羊岔街風電場北片區(qū)雷擊大地密度為2.19次/(km2·年)，羊岔街風電場南片區(qū)雷擊大地密度為3.01次/(km2·年)，對于元江縣羊岔街風電場項目雷擊風險評估和防雷保護等級而言，為客觀地反映所評估建(構(gòu))筑物的雷擊風險程度，應(yīng)采用用防雷技術(shù)規(guī)范計算公式按雷暴日計算出的雷擊大地密度作為評估依據(jù)，使評估結(jié)果更加客觀、科學(xué)、準確。

3 風電機組雷擊損害特點及評估

3.1 風電機組雷擊損害特點

山區(qū)的云體在風力的作用下往往發(fā)生偏斜，使正電荷接近山頂，因此，山區(qū)正極性的云地閃電較多；同時，雷云沿山腰飄動，也增加了發(fā)電機組遭受雷擊的機率。風力發(fā)電機組的有效高度127 m，由于其結(jié)構(gòu)特點，易受到直接雷擊，沿輸電網(wǎng)絡(luò)侵入的雷電波也會給風機的正常運行產(chǎn)生較大影響。直擊雷會造成風力葉片破裂，電機絕緣擊穿、控制元件燒壞等事故[5]。

3.2 風電機組雷擊風險評估

3.2.1 計算每年風力發(fā)電機組閃擊次數(shù)

據(jù)玉溪市元江縣35年的雷暴資料，元江縣年平均雷暴日有60.9 d.

Td=60.9(d)

每km2每年平均地閃密度

Ng≈0.1Td=0.1×60.9=6.09次/(km2· a)

據(jù)工程設(shè)計資料，風力發(fā)電機組塔筒高度78 m，槳葉長度49 m，則風力發(fā)電機組的有效高度

h=127(m)

孤立建筑物遭受直擊雷時的等效雷擊截收面積

Ad =9πh2=9×π×1272≈455806(m2)

因風力發(fā)電機組位于山上，環(huán)境因子

Cd=2

建筑物遭受直擊雷的年平均數(shù)

Nd=Ng×Ad×Cd×10-6=6.09×455806×2×10-6≈5.55(次/a)

3.2.2 計算風力發(fā)電機組雷擊損害概率

無LPS防護，PB=1，無戶外人員活動RA=0。

雷擊造成的風險分量計算：

根據(jù)GB/T 21714.2—2008，風力發(fā)電機組本身(不含控制系統(tǒng))雷擊損害時的風險計算公式為：

RB=Nd×PB×LB

LB=HZ×rP×rf×Lf

根據(jù)GB/T 21714.2—2008之附錄c的規(guī)定：

HZ——特殊傷害，這里為無，因此等于1；

rP——火災(zāi)防護，這里為無，因此等于1；

rf——火災(zāi)風險，這里為一般風險，等于10-2；

Lf——風力發(fā)電機組本身雷擊損害時的損失，這里為有，等于10-1；

故雷擊風力發(fā)電機組時，風力發(fā)電機組的損失

LB=HZ×rP×rf×Lf=1×1×10-2×10-1=10-3

無LPS防護，雷擊致實體損害的概率PB=1，雷擊風力發(fā)電機組本身的損害風險

RB=Nd×PB×LB =5.55×1×10-3=5.55×10-3

與RT =10-3比較，RB>RT，需采取防護措施[1，5，7，8]。

4 評估結(jié)論

從以上分析計算可看出，雷擊風力發(fā)電機組本身的損害風險RB大于風險容許值RT，應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范采取風力發(fā)電機組的雷電防護措施[7]：

(1)風電機組、主變壓器等的雷災(zāi)損害概率值均超過IEC標準規(guī)定的可承受值[9,10]，說明項目設(shè)備設(shè)施易受雷擊而損壞，其中，電源、信號線路的雷擊是主要災(zāi)害的主要來源。防雷設(shè)計時，對進出建筑的電源、信號線路，需要采取埋地敷設(shè)方式布線，同時根據(jù)弱電項目防護等級在線路安裝多級SPD進行保護。

(2)在距建筑50 m范圍產(chǎn)生鄰近雷擊時，建筑物處無衰減磁場強度超過國家規(guī)范要求的800(A/m)，會造成計算機網(wǎng)絡(luò)、信息控制系統(tǒng)等弱電設(shè)備的損壞。對生產(chǎn)控制樓等設(shè)備的機房和控制室，應(yīng)采取屏蔽措施。

(3)風電場區(qū)域土壤電阻率分布均勻，平均土壤電阻率為3 150 Ω·m，屬高土壤電阻率范圍，接地制作比較困難。由于土壤電阻率很高，雷電產(chǎn)生時靜電感應(yīng)會對埋地電纜形成較大的損害。

(4)風電場區(qū)域場址高差達510 m，且兩個片區(qū)相隔較遠，由于地形抬升作用形成的對流云帶來的雷電活動相應(yīng)增多。風機選址均在強風區(qū)，雷云沿這些路徑活動，更易對風機造成影響。綜上所述，風電場雷暴日較周邊地區(qū)高，更易受到雷擊，且區(qū)域落雷概率高、閃電強度大；鄰近雷擊產(chǎn)生的磁場會對靈敏設(shè)備造成影響；風電機組、主變壓器的雷災(zāi)概率較大，整個項目的防護重點是升壓站主變壓器、風電機組及場內(nèi)電源和信號傳輸線路。

綜上所述，元江風電場雷暴日較周邊地區(qū)高，更易受到雷擊，且區(qū)域落雷概率高、閃電強度大；鄰近雷擊產(chǎn)生的磁場會對風電場及相關(guān)配套設(shè)備造成影響；風電機組、主變壓器的雷災(zāi)概率較大，整個項目的防護重點是風電機組、升壓站主變壓器及場內(nèi)電源和信號傳輸線路[5]。

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LIGHTNING RISK ASSESSMENT OF WIND FARM SHEEP BIFURCATED STREET IN YUANJIANG COUNTY OF YUNNAN PROVINCE

YANG Bo，DU Fu-sheng，YAN Yong-quan

(YuxiMeteorologicalBureau，Yuxi，653100，Yunnan，China)

In order to accurately grasp the law of lightning activity near Yangcha Street wind farm in Yuanjiang County，Scientific guidance for lightning protection design and Construction，it is necessary to carry out the risk assessment of lightning for reduce or avoid the damage caused by lightning.Based on the geological_terrain lightning and other factors were analyzed，this paper Trying to find the main lightning risk，probability of wind electric field of lightning disaster characteristics and wind electric field components，provide a reference for lightning protection design of the project.

wind farm Yangcha Street；Yuanjiang County；lightning activity；lightning protection design

2015-04-11；

2015-06-07．

P446

A

1001-7852(2015)03-0060-05