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考虑正连接先导发展过程的风电机组闪电吸引半径分析
杨宁1，张其林1，侯文豪1，和英文1
1教育部气象灾害重点实验室（KLME）/气候联合国际研究实验室
（ILCEC）/气象灾害预测与评估协同创新中心（CIC-FEMD）/南京信息工程大学中国气象局气溶胶云降水重点实验室，中国南京
摘要：本文提出了上行先导传播模型，考虑了有限元法对先导过程的转变，并分析了大型风力发电机上行先导的初始和后续物理过程以及吸引半径的情况。为了验证我们的模型，模拟结果与光学高速视频观测结果的比较表明，该模型可以预测163 m高塔的上行先导的公认结果，模拟上行先导速度和最终跳跃前的长度为2.3times; Warner（2010）提出的105 m / s和187.67 m，与观测结果分别为2.8times;105 m / s和184 m非常相似。与此同时，我们发现下行/上行先导假设的恒定速比不合适，不能准确预测雷击引起的吸引半径。此外，模拟结果与广泛使用的EGM（电子几何模型）进行比较，发现EGM明显低估了吸引半径超过50％。
1简介
今天，风电已成为清洁能源的重要组成部分，然而，雷击已经成为一个严重的威胁，并将因巨大电流的加热和感应电压的间接影响而产生严重损害。还观察到风力涡轮机叶片上行闪电以及下行闪电[Jiang等人，2014; 2015年3月]，一般而言，当云电荷区域较低时，例如冬季的日本雷暴，上行闪电的概率增加[March et al。，2016; Wada等人，2005; Montanyagrave;等，2016]。根据马德森[2006]的报告，通过检测和检测确定了118个刀片上的雷击事故总数，88.1％连接在刀片尖端。 Bertelsen等人[2007]也发现叶片的尖端是最可能的撞击点。 Garolera等人[2016]从美国发生的304起案例分析了风力涡轮机叶片上的雷电损害，并指出最大的损害集中在叶片尖端。
因此，如何准确预测风机的雷击概率是一个重要问题。尽管随着风力的增加，风力涡轮机的叶片旋转得更快，但其速度比闪电的下行先导速度慢得多。风力涡轮机可以假设在光照射到叶片尖端时是静止的，并且雷击过程或风力涡轮机的附接过程与地面高层结构类似。目前，多种类型的雷击保护研究已经进行了多年，其中包括EGM（电几何模型），CVM（收集体积法）和LPM（先导发展模型）。
在这三种方法中，EGM方法已被广泛用于预测对风力涡轮机或其他结构（例如建筑物或输电线路）的雷击[Armstrong and Whitehead，1968]，它假设任何接地物体的雷击距离是雷电回击电流峰值的简单函数，不考虑结构高度的影响[Moore等，2000a，2000b]。在IEC雷电保护标准中，撞击距离被确定为滚球法中用于定位可能的雷击点的球体半径。然而，值得注意的是，EGM没有物理基础，并且严重过分简化了雷电放电的物理过程，因为它没有考虑上行正先导的出现和结构高度的影响。 Peesapati等人。 [2009]指出，风电场正在经历六倍于理论计算的雷击。
Eriksson [1987]首先介绍了CVM（收集体积法），认为下行先导与新引发的上行先导的连接只能在由引发距离产生的表面定义的体积内和抛物线轨迹取决于下行/上行的先导速度比。这个卷的横向有吸引力的延伸被称为收集量。因此，当下行梯级先导到达收集量的边界时，两个先导者之间将发生联系过程。基于临界半径，CVM已被广泛用于预测垂直导体或高层建筑的雷电吸引半径。
Dellera和Garbagnati [1990a，1990b]提出了LPM（先导传播模型）来模拟雷击的整个过程，包括基于静电计算的上行先导的启动和移动。该模型使用有限线电荷来模拟上行先导的增长，并假定上行先导将在其尖端之前移动到最大电场的方向。后来，Rizk [1990]提出了一个类似的模型来发现雷击对接地高空物体的最大横向距离。许多研究人员已经为改善这种模式多年做出了贡献。 Li等人[2012]建立了雷电计算模型，输电线路屏蔽性能;但是，假定在上行初始条件满足时，雷击能够成功发生。司马等。 [2014]也提出了一种预测传输线雷击的分析方法，Rizk标准被用作正连接先导的初始标准，假设下行/上行先导的速度比lambda;等于2.5模型从4变化到1 [Dellera和Garbagnati，1990a]。然而，从高速光学观测数据来看，下行和上行先导速度比是随时间变化的，而不是一个常数值[Lu et al。，2013; Wang等，2016]。
除上述三个模型外，Becerra和Cooray [2006a，2006b]基于Gallimberti [1972,1979]开发的先导排放的物理机制，提出了另一种称为SLIM（初始先导和传播模型）的模型，该模型具有考虑了比其他模型更多的上行先导的物理属性。 SLIM认为，当最小电晕电荷达到1mu;C时，上行正电导率会引起加热到超过临界温度（大约1500K），然后杆将转变为先导，因为热电离。 SLIM可以很好地应用于研究闪电连接到接地结构，包括输电和配电线路的导体和塔架，这已通过观测结果进行了验证。 Xie [2013]根据上行先导接受之后的实验结果，研究了黑暗时期的初始传播，他们考虑了更多的上行正先导发展的物理过程。
在本文中，我们将采用SLIM的先导初始模型和Xie [2013]提出的正先导传播的实验数据，并结合两种模型的优点提出一种新模型，并考虑风力涡轮机的雷电吸引半径通过有限元法（有限元法）开发正向连接先导过程。
2模型的制定和验证
2.1Model配方
如图1所示，击打距离被定义为当上行先导被击发时下行先导和风力涡轮机叶片尖端之间的分离距离。有吸引力的半径被定义为下行先导可以被吸引到风力涡轮机叶片的最大横向距离。
图1.风力涡轮机由下行闪电先导器撞击的示意图以及撞击距离和吸引半径的图示。
当下行先导传播并逐渐接近地面时，上行先导可以从风力涡轮机叶片的尖端发射。整个附件过程包括以下三个梯级。 （1）当下行先导产生的叶尖处的电场等于电晕初始场时，流光放电被接收。 （2）根据锥形杆的热力学模型，从流注转换为正先导。 （3）上行正先导下行往负先导向前传播，直至达到最终跳跃状态。
根据第二次或连续脉冲串中的初始电荷，流状先导的变换条件等于或大于1mu;C[Gallimberti，1972,1979; Lalande等，2002]。一旦条件满足，电离过程提供能量和电流来维持热过渡，而上行先导通道的前进提供了电场来维持电离过程[Goelian等，1997]。如果这个过程达到动态平衡，上行连接先导 - 拖缆系统可以持续稳定地发展。
采用Becerra和Cooray [2006a，2006b]提出的正先导的基本启动模型来确定稳定上行先导的起始。基于背景电位分布的近似几何方法，迭代提出了一个判据。这样，当背景电位分布足够高以产生第二个电晕电荷时，不稳定
因为电荷△Q被认为等于或大于1mu;C，所以假定发生了上行先导。此外，当先导的长度达到2 m的最大值，则认为稳定的先导起始条件已满足，否则上行先导被中止。此外，为了比较，起爆模型的模拟结果已通过现场触发雷电实验进行了验证，并与实验结果很好地吻合[Becerra and Cooray，2006a]。
根据电荷守恒理论，进入引线尖端的电荷量必须等于电晕区域剩余的空间电荷量。 由于空间电荷的存在，
地电位分布U（0）将变为U（0）。 基于简化的物理模型，
地电位分布可能可以用直线表示，如图2所示。
图2.潜在分布的简化几何方法以确定初始上行先导。
因此，背景电位分布可以简化为
U1eth;0THORN;asymp;E1·/ thorn; Ursquo;0 （1）
|
表1.用于计算的参数 |
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参数 |
描述 |
值 |
单位 |
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IL(1) |
初始先导长度 |
5 times; 10—2 |
m |
|
Estr |
正流光梯度 |
4.5 times; 105 |
V/m |
|
Einfin; |
最终准固定先导梯度 |
3 times; 104 |
V/m |
|
x0 |
恒定的正先导梯度和先导时间常数t |
0.75 |
m |
|
qL |
热转换所需的每单位长度充电器 |
6.5 times; 10—7 |
C/m |
|
KQ |
几何常数 |
4 times; 10—11 |
C/Vm |
其中E1是斜率，U0是垂直轴的截距。 如图2所示，第二个电晕电荷被定义为
Delta;Qeth;0THORN;asymp;KQ· s/2·eth;Estr — E1THORN; （2）
KQ是一个几何因子，范围从3.2times;10-11 C / V m到4times;10-11 C / V m，典型值为
3.5times;10-11 C / V m。 Estr是正流光的渐变。 如果Delta;Q（0）ge;1mu;C，这意味着它已经实现了不稳定的先导起始条件，由于热离子化（高于1500K），引线转换已经完成。 因此，流光杆被转变成具有更好导电性和更高温度的初始新引线部分。先导发展的潜力可以用来计算
Ueth;iTHORN; frac14; leth;iTHORN;·E*thorn; x ·E*lnSigma;Estr — Estr — Einfin; ·e—leth;iTHORN;=x0 Sigma; （3）
当Einfin;是最终的准静态先导电位梯度时，x0由正先导速度v和先导时间常数theta;导出。 每个步骤的总电晕电荷Delta;Q可近似计算为
Delta;Qasymp;KQh.Estr·.leth;iTHORN; — leth;i—1THORN;Sigma; thorn; Ueth;i—1THORN;—Ueth;iTHORN; Sigma;·.leth;i—1THORN;—leth;iTHORN;Sigma;i （4）
然后可以计算电晕区和上行先导的延伸距离
Estr·leth;iTHORN; — Ueth;iTHORN; /leth;iTHORN; frac14; leth;0THORN; thorn;L (5)
Estr — E1/leth;ithorn;1THORN; frac14; leth;iTHORN; thorn; Delta;leth;iTHORN; frac14; leth;iTHORN; thorn; Delta;Q (6)
通过以上分析，当lL达到临界最大值Lmax（2 m）时，稳定的上行先导条件得以满足; 一旦前进长度Delta;l（i）lt;0，则上行先导被中止。 相关参数
值如表1所示。
在稳定的上行先导接受注入先导渠道的电荷量之后，也可以通过类似的方法获得。 从图3中可以看出，在第i-1个步骤中，
上行先导的前面是Ui-1eth;x），空间电荷留在流区域从Ui-1eth;xTHORN;扭曲到Ui-1
eth;xTHORN;。 当发展到第i步时，流区内的电位分布应为UL（x）
考虑空间电荷的影响，最后一步考虑空间电荷和Ui（x）。 所以
在第i步产生的空间电荷的存在改变了电位分布，从Ui（x）到Ui（x）
其实。 电荷Delta;Qi可以通过计算
xeth;siTHORN; h i/T/Sxeth;siTHORN; hi （7）
上行先导的电流和速度可以通过
Ieth;iTHORN; frac14;*eth;iTHORN; /Delta;Qeth;iTHORN; /Delta;t (8)
Ieth;iTHORN; *V/L qL (9)
为了能够在模拟中获得新创建的上行先导的先导片段，采用了Xie [2013]提出的上行先导的电流与速度之间的关系，分段函数被用来描述根据长气隙放电和人为触发雷电实验的关系。 I（i）和v（i）之间的关系由下式给出
图3.茎干转化系统每一步产生的电荷说明。
veth;iTHORN; frac14; Ieth;iTHORN;=25times;10—6 ; if Ieth;iTHORN; lt; 0:32 A (10)
50times;10—6 thorn; 10—9veth;iTHORN;.1 thorn; veth;iTHORN;=104Sigma;L frac14; L1 thorn; 90=.1 thorn; 3:2times;10—3vSigma; （11）Lveth;iTHORN; frac14; .a·b thorn; c·Ieth;iTHORN;dSigma;=.b thorn; Ieth;iTHORN;dSigma; ; if Ieth;iTHORN;ge;3:4 A (12)
a = 189.4; b = 35.91; c = 5.59 times; 105;d = 0.66.
有几种模型可以描述雷电通道的电荷分布，如均匀，线性衰减和指数衰减。 电荷分布被用来计算模拟中下行阶跃先导器产生的背景电场。 在本文中，下行梯级导线被假定为直线垂直通道（无分支），Cooray等人描述了沿着导带通道的非均匀电荷密度分布。[2007]
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