负极性雷击下地面物体上行先导稳定起始的初始流注动态临界长度判据

厘清雷击作用下地面物体上行先导的起始物理机制,是防雷系统分析设计以及提升防护性能的重要基础。在现有先导发展模型基础上,该文纳入雷电下行先导发展速度对上行先导起始的影响作用,给出单位长度上行先导发展所需电荷量与先导发展速度的关系,并改进稳定先导的起始条件,建立负极性雷击下的上行先导发展模型。通过模拟风电机组不同位置的上行先导起始情况,指出稳定上行先导起始时,其初始流注长度存在某个临界值。由此提出判别稳定先导起始的初始流注动态临界长度判据,即地面物体附近空间背景电势曲线和流注区域电势曲线的交点横坐标(初始流注长度)超过临界值时,稳定上行先导起始。长间隙放电与实际雷电观测结果验证了该判据的有效性和正确性。该判据显著简化了上行先导起始的判断过程,拓展了现有平均背景电场判据和临界长度判据的概念,并指出动态临界长度受雷电下行先导发展速度和雷电流峰值的共同影响。通过与已有上行先导起始判据的交互比较发现,所提判据能更好地模拟地面高大物体(如风电机组)的上行先导起始过程,可为雷击防护系统优化设计提供理论和方法依据。

风电机组叶片雷击风险分布特征

风机叶片极易遭受雷击损伤,严重威胁风电场安全稳定运行。该文基于自洽先导起始发展模型,提出雷击叶片表面任一位置计算方法,建立叶片下行雷击风险分布计算模型。定义地面雷击截收区域和临界叶尖保护失效雷电流,考虑雷电流幅值、叶片旋角和叶片长度,计算不同装机容量叶片雷击风险分布。结果表明,叶尖保护范围随雷电流幅值的降低而降低;临界叶尖保护失效雷电流随叶片旋角的增加而减小。靠近叶尖区域的雷击风险随叶片长度的增加而减小。该文将叶片划分为Z1、Z20和Z21区域,分析不同区域叶片雷击击穿过程,建议对不同区域进行差异化雷电防护。

风力发电机组下行雷击风险计算方法

风力发电机组年雷击事故次数是评估机组雷击防护水平、指导机组雷击防护系统设计和优化的重要指标。机组年雷击事故次数与机组年雷击次数有关。目前,广泛应用IEC标准中推荐的经验公式进行机组下行雷击风险评估。IEC推荐方法脱离雷击物理过程,无法反映雷电流幅值、机组几何形状等因素对机组雷击截收区域面积的影响。该文提出了一种基于自洽先导起始发展模型的风力发电机组下行雷击风险计算方法,该方法可以体现雷击接闪物理过程。验证计算表明方法计算所得机组年负极性下行雷击次数相比IEC推荐方法的计算结果更接近观测获得的机组实际年负极性下行雷击次数。利用该方法,进一步计算获得了机组容量与机组下行雷击风险之间的定量关系,并讨论了叶片旋转对机组下行雷击风险的影响。

山区风力发电机组雷击风险评估方法

位于地形复杂山区的风力发电机组时常遭受雷击,由此导致的停机时间和叶片损坏带来的经济损失较大。文章提出一种山区风力发电机组的雷击风险评估方法,该方法基于自洽式先导发展模型(self-consistent leader inception and propagation model,SLIM),考虑风力发电机附近复杂地形对空间电场畸变的影响,分析不同回击电流幅值、地形结构对雷击截收区域的影响,计算得到单台风力发电机在复杂地形下的雷击截收区域,结合多风机屏蔽效应和风机所在地的地闪密度,得到风力发电机年均遭受雷击次数来表征风机的雷击风险。结果表明:风机雷击截收区域随风机所处地形高度和地面倾角的增加而增加,地形高度对风机雷击截收区域的影响程度最大,40 m地形高度的增加会使风机遭受雷击的次数增加10%以上;当多台风机雷击截收区域有交叠时,雷击截收区域较低的风机雷击风险会有所降低。