基金项目:
上海市科学技术委员会“科技创新行动计划”青年科技英才扬帆计划项目( 编号: 19YF1416900) ; 上海市科委科技创新项目( 编号: 16020501000) ; 上海市气象局面上项目( 编号: MS201602) 。
全文发表在2021年 6月《电瓷避雷器》
摘要:
当风力发电机的机舱受到雷击时，机舱内会产生雷电电磁脉冲( LEMP) ，继而影响电子设备运行，甚至严重破坏电子设备。为了研究机舱内的 LEMP，首先建立了非金属机舱的全尺寸模型。采用传输线矩阵法对机舱内雷电电磁环境进行了模拟分析。然后研究了在机舱上应用金属屏蔽 的防护措施，包括屏蔽 的 格尺寸和材质对防护效果的影响。结果表明，金属屏蔽 可以有效地降低机舱内的 LEMP。屏蔽效果很大程度上取决于屏蔽 材料的导电性和 格尺寸。
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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，“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。
雷击是破坏风力发电机组( 简称风机) 安全运行的重要因素［5］，目前国内对于风机遭受雷击损坏机理的研究主要集中在直击雷的破坏效应研究。文献［6］基于对“云 － 地”线状雷电先导发展的机理研究，在静电场下仿真了叶片的初始雷击附着区域，并探究了叶片上铜制接闪器数量、大小对叶片雷击附着特性的影响。文献［7］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［8］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。文献［9］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。
金属材质的风机机舱罩对雷电电磁脉冲有着较好的屏蔽效果。然而，为了减轻重量和降低成本，现代风机机舱罩大规模地使用了复合材料。整个机舱罩由强化玻璃纤维组成，内部的桁架结构和支撑玻璃纤维的金属条形成了一个简单防护雷电流磁场的屏蔽 。另一方面，随着一些企业“智能风机”的推广与应用，风机内越来越多地采用先进的电子设备，使得风机机舱内部的电子设备和线缆对雷电十分敏感。当巨大的雷电流附着在风机叶片与机舱以及轮毂时，雷电流的瞬态过程会在风机周围产生强大的雷电脉冲电磁场，在电磁耦合效应的作用下，机舱内的电子设备与线缆将感应出较大的电流与电压，造成机舱设备的功能紊乱或损坏，继而影响风机的安全运行，出现雷电电磁脉冲时，线缆通常是与其耦合的主要设备，目前针对雷电电磁脉冲与线缆的耦合问题，国内外主要研究方向是架空输电线和埋地线缆的长距离耦合，对雷电电磁脉冲的电磁场的分布以及与风力发电机机舱内线缆的耦合效应研究还比较少。除此之外，雷击机舱时，雷电流经机舱泄放入地的过程中，在机舱内会感应出剧烈的电磁场变化，机舱内各金属部件会感生出感应电流，产生电位差，有绝缘击穿发生放电的风险。IEC61400－24 对风力发电机组进行了雷电保护区的划分，根据要求，风机机舱内部应属于 LPZ1 区，但没有规定这部分区域内相应的电流、电压和电磁场的安全阈值。
笔者建立了风机非金属机舱的三维模型，利用传输线矩阵的方法研究了机舱尾部气象站遭遇雷击时的机舱内的电磁脉冲效应，并提出在机舱罩外加装屏蔽 的方式对机舱内的设备加以保护。进而分析了屏蔽 格大小以及材料对防护效果的影响。该结果对风机机舱内电子设备的雷电电磁脉冲防护工作研究具有重要参考意义。
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仿真模型建立（略）
1．1 传输线矩阵原理
1．2 雷击机舱建模
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仿真结果及分析（略）
2．1 风机机舱内电磁脉冲效应
相关研究表明，当磁场强度达到 190 A /m 时将造成一些电子的元件的损坏。因此，当非金属机舱直接暴露在雷电电磁脉冲环境下时将会对舱内电子设备产生严重的威胁。
2．2 格大小对机舱屏蔽效果的影响
IEC61400－24 在机舱的防护要求中指出，可以在机舱上使用一个金属 ，并带有 GFＲP 封盖，从而屏蔽外部电场和磁场，以及金属 内电流所产生的磁场。根据要求，对于以玻璃纤维增强塑料为材料的机舱罩，在机舱罩加装菱形铝制金属 ，小 格尺寸金属 将保护机舱遭受直接雷击及回击前的先导电流。根据 格尺寸及金属 厚度，金属 将对雷击产生磁场进行较大的衰减。为分析金属 格尺寸大小对磁场衰减的影响，对边长分别为 l =2 cm，5 cm 和 l = 10 cm 的铝制屏蔽 安装在 GFＲP机舱罩后进行仿真计算，比较线缆上电压以及舱内磁场的变化规律。
2．3 格材料对机舱内电磁效应的影响
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结论
笔者通过建立风机机舱与内部线缆的三维模型，利用传输线矩阵方法研究了雷击风机机舱尾部时线缆的感应电压以及机舱内磁场的分布，并分析了屏蔽 格大小与材料对机舱内电磁效应防护效果的影响。
根据以上分析，得出的主要结论如下:
1) 雷击中风机机舱尾部时，布置在舱内的电子设备线缆将感应出高数值的瞬态电压，在机舱罩加装金属 可有效降低机舱内部的电磁效应和电缆中的瞬态电压。
2) 屏蔽效果与 孔边长成正比， 孔尺寸越小，对磁场的屏蔽效果越好，在电缆中产生的瞬态电压越低。
3) 格材料对屏蔽效果有明显的影响， 格材料的电导率越高，内部磁场的衰减越大。铝质 格相比石墨纤维机舱内磁场衰减高出将近 30 dB。
根据以上研究结论，建议在机舱上采用导电性较高、边长较小的金属 ，以减弱机舱内的 LEMP，如边长 2 cm 的铝 为宜。
参考文献 （略）
1．上海电力大学电气工程学院;
2．上海大学机电工程与自动化学院-上海市电站自动化技术重点实验室
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