CN109241693B - 测算风力发电机组防雷等级的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测算风力发电机组防雷等级的方法，包括以下步骤：S1、根据气象部门的数据计算风场所在地年平均雷击密度；S2、根据回击电流强度对等效截面半径的影响，计算与风机接收相同雷击次数的等效截收面积；S3、根据风场所在地形选择合适的环境因素，并依据风力涡轮发电机系统防雷规范中的表述，计算风力发电机组的年平均直击雷数量；S4、根据步骤S3得到的风力发电机组的年平均直击雷数量，确定风力发电机组防雷等级。本发明提供的测算风力发电机组防雷等级的方法，便于得到更加科学的雷击等效截收面积，从而能够更加有效地为不同机型的风电机组选择合适的雷电防护等级，提高风电机组防雷保护设计施工过程中的经济型与有效性。

Description

测算风力发电机组防雷等级的方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组领域，具体涉及一种测算风力发电机组防雷等级的方法。

背景技术

对于一般建筑物而言，为了对避雷性能进行分析首先需要得到避雷设施的闪击距离或者吸引半径，随后使用数学方法计算得到等效截收面积，通过考虑当地的年雷击密度得到遭受雷击概率。因此，通过计算得到准确的闪击距离以及吸引半径是对建筑物雷击评估的关键数据，对合理规避由雷电造成的风险就显得尤为重要。

根据IEC 61400标准中的定义，在计算风力发电设备等效截收面积时可将其视为静止的高塔看待，高度为底座杆塔与叶片长度之和。在地面以高度值的3倍为长度形成的范围为等效截收面积。可以将其视为是折线法的变形，然而这种方法并不包含任何物理上的含义，对于高度较高的物体来说过分夸大了其等效截收面积，仅仅是为了满足标准中雷击风险评估而提出的折中方案。无法得到准确的等效截收面积。而准确的等效截收面积对于为不同机型的风电机组选择合适的雷电防护等级尤为重要。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供的测算风力发电机组防雷等级的方法，便于得到更加科学合理的雷击等效截收面积，从而能够更加有效地为不同机型的风电机组选择合适的雷电防护等级，提高风电机组防雷保护设计施工过程中的经济型与有效性。

本发明提供的一种测算风力发电机组防雷等级的方法，包括以下步骤：

S1、根据气象部门的数据计算风场所在地年平均雷击密度N_g；

S2、根据回击电流强度对等效截面半径的影响，计算与风机接收相同雷击次数的等效截收面积A_e；

S3、根据风场所在地形选择合适的环境因素C_d，并依据风力涡轮发电机系统防雷规范中的表述，计算风力发电机组的年平均直击雷数量N_d；

S4、根据步骤S3得到的风力发电机组的年平均直击雷数量N_d，确定风力发电机组防雷等级。

可选地，步骤S2包括以下步骤：

S21、根据IEC62305规范计算闪击距离S；

S22、根据闪击距离S和机组高度h，计算雷击区域在地面上投影的半径r与机组高度h之间的函数r(h)；

S23、根据发电机组中塔杆的高度H、叶片的长度L以及旋转角度θ，计算出发电机组在旋转过程中的高度h(θ)和宽度W(θ),所述旋转角度θ为位于塔杆最顶端的叶片与竖直轴线之间的夹角；

S24、将步骤S23中得到的h(θ)代入步骤S22所得到的函数r(h)中，计算雷击区域在地面上投影的半径r；

S25、根据规则建筑物的等效截收面积计算方法，计算等效截收面积与旋转角度θ之间的函数A_e(θ)；并将步骤S24得到半径r和步骤S23得到的宽度W(θ)代入A_e(θ)中，得到等效截收面积A_e。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果：本发明提供的一种测算风力发电机组防雷等级的方法，包括以下步骤：S1、根据气象部门的数据计算风场所在地年平均雷击密度N_g；S2、根据回击电流强度对等效截面半径的影响，计算与风机接收相同雷击次数的等效截收面积A_e；S3、根据风场所在地形选择合适的环境因素C_d，并依据风力涡轮发电机系统防雷规范中的表述，计算风力发电机组的年平均直击雷数量N_d；S4、根据步骤S3得到的风力发电机组的年平均直击雷数量N_d，确定风力发电机组防雷等级。本发明提供的测算风力发电机组防雷等级的方法，便于得到更加科学合理的雷击等效截收面积，从而能够更加有效地为不同机型的风电机组选择合适的雷电防护等级，提高风电机组防雷保护设计施工过程中的经济型与有效性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的计算流程图；

图2为风力发电机组雷击区域的示意图；

图3为风力发电机组的结构示意图；

图4为风力发电机组等效截收面积的示意图。

附图标记：

1-杆塔、2-叶片。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

请参阅图1-4，本实施例提供的一种测算风力发电机组防雷等级的方法，包括以下步骤：

S1、根据气象部门的数据计算风场所在地的年平均雷击密度N_g，年平均雷击密度N_g可以通过闪电定位仪探测到的单位面积上的闪电总数计算得到。在缺乏闪电定位仪的地区，可以根据公式N_g＝0.1×T_d计算年平均雷击密度N_g；其中N_g的单位为km²year^-1，T_d表示年平均雷暴日，年平均雷暴日根据气象部门的统计数据计算。

S2、根据回击电流强度对等效截面半径的影响，计算与风机接收相同雷击次数的等效截收面积A_e，具体步骤如下：

S21、根据IEC62305规范计算闪击距离其中I_p是雷击电流幅值强度峰值；I_p可以通过气象部门的数据查得；

S22、根据闪击距离S和机组高度h，计算雷击区域在地面上投影的半径r与机组高度h之间的函数r(h)；如图2所示，

当h≥βS时：r(h)＝S ①

当h＜βS时：

式②中β为防雷经验值；计算时β的取值范围为0.6-0.8。为了便于计算，β的近似值通常取为0.735。

S23、根据发电机组中塔杆的高度H、叶片的长度L以及旋转角度θ，计算出发电机组在旋转过程中的高度h(θ)和宽度W(θ),所述旋转角度θ为位于塔杆最顶端的叶片与竖直轴线之间的夹角；如图3所示，

h(θ)＝H+Lcos(θ) ④

S24、将步骤S23中得到的h(θ)代入步骤S22所得到的函数r(h)中，计算雷击区域在地面上投影的半径r；

当I≤I_B时，r＝10×I^0.65 ⑤

当I>I_B时，

其中I表示雷击的电流值，I_B是一个临界电流强度，与β的取值对应，表示当h＝βS时的电流强度。因此，I_B也可用θ表示：

由于因此/>

即

将式④代入式⑦中，得到

S25、如图4所示，根据规则建筑物的等效截收面积计算方法，计算等效截收面积与旋转角度θ之间的函数A_e(θ)；即等效截收面积A_e(θ)等于以雷击区域在地面上投影的直径2r为长度，以W(θ)为宽度围成的矩形的面积加上雷击区域在地面上投影的面积。

A_e(θ)＝πr²+2rW(θ) ⑨

并将步骤S24得到半径r和步骤S23得到的宽度W(θ)代入A_e(θ)中，得到等效截收面积A_e。

由于有些标准和文献资料中提到的等效截收面积与风力发电机高度3倍和平方之间存在正比关系，并未能包含任何物理含义而只是简单假设了一个较大的区域，使其能够笼统的涵盖任何情况下的等效截收面积。采用本文描述的方法，计算能够更加准确。

S3、根据风场所在地形选择合适的环境因素C_d，并依据风力涡轮发电机系统防雷规范中的表述，计算风力发电机组的年平均直击雷数量

N_d＝N_g·A_e·C_d ⑩

将式⑨代入式⑩中，并对角度和电流大小做分段积分

其中C_d为环境因素，当风力发电设备位于平原地区时，C_d可取值为1，当风力发电设备位于山丘地区时，C_d可取值为2。

S4、根据步骤S3得到的风力发电机组的年平均直击雷数量，确定风力发电机组防雷等级。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (1)

1.一种测算风力发电机组防雷等级的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据气象部门的数据计算风场所在地年平均雷击密度N_g；

S2、根据雷击电流强度对等效截面半径的影响，计算与风机接收相同雷击次数的等效截收面积A_e；具体步骤如下：

S21、根据IEC62305规范计算闪击距离其中I_p是雷击电流幅值强度峰值；

S22、根据闪击距离S和机组高度h，计算雷击区域在地面上投影的半径r与机组高度h之间的函数r(h)；

当h≥βS时：r(h)＝S；

当h<βS时：

式中β为防雷经验值；计算时β的取值范围为0.6-0.8；

S23、根据发电机组中塔杆的高度H、叶片的长度L以及旋转角度θ，计算出发电机组在旋转过程中的高度h(θ)和宽度W(θ),所述旋转角度θ为位于塔杆最顶端的叶片与竖直轴线之间的夹角；

h(θ)＝H+Lcos(θ)

S24、将步骤S23中得到的h(θ)代入步骤S22所得到的函数r(h)中，计算雷击区域在地面上投影的半径r；

当I≤I_B时，r＝10×I^0.65；

当I>I_B时，

其中I表示雷击的电流值，I_B是一个临界电流强度，与β的取值对应，表示当h＝βS时的电流强度；因此，I_B也可用θ表示：

由于因此/>

即则

S25、根据规则建筑物的等效截收面积计算方法，计算等效截收面积与旋转角度θ之间的函数A_e(θ)；

A_e(θ)＝πr²+2rW(θ)

并将步骤S24得到半径r和步骤S23得到的宽度W(θ)代入A_e(θ)中，得到等效截收面积A_e；

S3、根据风场所在地形选择合适的环境因素C_d，并依据风力涡轮发电机系统防雷规范中的表述，计算风力发电机组的年平均直击雷数量N_d；

N_d＝N_g·A_e·C_d

将步骤S25得到的函数A_e(θ)代入上式，并对角度和电流大小做分段积分

其中C_d为环境因素，当风力发电设备位于平原地区时，C_d取值为1，当风力发电设备位于山丘地区时，C_d取值为2；

S4、根据步骤S3得到的风力发电机组的年平均直击雷数量N_d，确定风力发电机组防雷等级。