[发明专利]基于历史雷电移动轨迹统计特性的主动防雷方法

说明书

技术领域

本发明涉及海上风电场的防雷技术，特别涉及一种基于雷电定位系统的历史雷电移动轨迹统计特性的主动防雷方法。

背景技术

目前，电力系统防雷技术领域中所采用的防雷措施多属于被动防雷。对于部分特别重要、对雷电敏感且地域集中的构筑物如炼油厂、油库等，还可能围绕厂区外围架设独立避雷针和避雷线，以提前泄放雷云电荷，保护厂区内重要构筑物安全。

国内外大量风力发电机运行经验表明，雷击灾害对于风力发电机的安全可靠运行构成突出威胁。现代风力发电机的高度通常超过150m，其暴露在外的风机叶片和引擎盖通常由复合材料所制成，不能直接承受雷击或传导雷电电流，遭受雷击时极易造成损伤；其次，雷电流由接闪器经风机泄放入地时，可能拉电弧烧伤轴承，烧伤印痕在轴承旋转过程中将被放大凸显，威胁风机的安全运行；最后，风力发电机的控制系统属于弱电系统，更容易在雷击时损毁。对于海上风电场而言，一方面，雷击事故后如造成设备损伤和停机，需视海况择机乘船进行维护检修，检修维护费用和停机造成的发电量损失均远高于陆上风电；另一方面，因地势平坦且机组高耸，海上风力发电机更易受雷电侵袭。根据德国、丹麦等国的统计资料显示，在雷电较少(雷电密度仅为0.2-0.5次/年·kM²)的西欧地区，每100台风机每年约有4.6台遭遇雷击。而在我国东南沿海地区，雷电密度往往高达20次/年·kM²，接近为西欧地区的100倍，进行大规模建设海上风电场后，雷击可能对风电场的可靠运行带来非常严重的危害。尽管近年来风力发电机的雷电防护水平已有所提高，但海上风机叶片和轴承等薄弱部位的防雷仍难以满足实际要求。

如果像炼油厂、油库等重要目标一样，沿海上风电场外围架设独立避雷针和避雷线，有可能显著降低风力发电机组遭雷击的概率，但海上风电场往往长、宽达几公里，沿海上风电场外沿修建独立避雷针、架设避雷线，从经济性和可靠性的角度来看，皆不可行。

实际上，受地质地形、季风风向等因素影响，雷电的移动轨迹往往具有一定规律性。如对于陆地上的山地峡谷地形而言，雷云往往随峡谷走向迁移，其雷电移动轨迹也会大致处于峡谷之间。沿海地区，同样可能有类似特征。气象领域的分析认为，当夏季热带气旋移动至台湾海峡或广西境内而其外围雨带仍未影响珠三角地区时，热带气旋的下沉气流会使得华南沿岸地区云量稀少。在长时间的日照下，广东内陆地区下午会变得酷热，地面温度上升可能会激发雷暴产生。由于当时该区大气层中层的背景风一般为北至东北风，因此内陆产生的雷暴会由北、偏北方向向南移动，横扫整个珠三角地区。

根据对雷电时域分布的统计，沿海地区雷电一般集中发生在极少数雷暴、暴雨时段。以香港为例，近十年来香港地区总计监测到雷电120万次，其中雷电日最多的56天，雷电次数达到近60万次，占到全部统计日的一半以上。如果能把握该些雷电运动轨迹的统计规律，即可确定海上风电场等目标区域的概率性雷电移动轨迹，并在雷电移动轨迹的上游方向架设避雷线，释放由上游沿雷电轨迹移动雷云的电荷，显著降低目标区段遭雷击的概率，实现主动防雷保护。

近年来出现的雷电定位系统记录了海量的雷电数据，这些雷电数据中包含有雷电流幅值、地理坐标和雷击精确时刻等大量翔实信息。当前，主要是利用这些信息进行分区域的雷电密度分析，并根据雷电密度评估所采集到的雷电参数和三维GIS扫描所得到的线路地形参数以及电力系统输电线路所选用的线路参数，根据所建立的模型进行跳闸率的计算，从而对输电区域进行防雷等级的评估。然后根据防雷评估等级的高低对其不同区域进行相应的防雷保护。这在一定程度上减少了防雷的盲目性，加强了针对性，但实质上还是对所有输电区域进行了全段保护，只不过保护措施不同而已。通常的防雷装置的保护思想是在被动等候雷电来临，定向引导雷电流入地泄放。实际上，利用雷电定位系统记录雷电数据，可以识别雷电迁移轨迹，并利用这些雷电迁移轨迹的统计规律进行主动性防雷，在雷云移动到目标区域前泄放掉雷云电荷，降低目标区域雷击概率。

发明内容