高海拔山地风电场建设前后地闪回击变化特征分析

李文明 1，杨崧令 1，李兵 2

摘 要：本文基于四川省闪电定位资料，结合昭觉风电场场址情况，分析了四川西部高原上一个高海拔风电场建设前后附近地闪分布变化特征；揭示了风电场的建立对周围地闪活动规律的影响，并探讨了地闪活动发生变化的可能原因。结论如下：（1）风电场建成后闪电接地点的位置更加集中，出现了3个地闪回击密度相对高值区，大多数回击点的位置沿着风机布局方向。高度超过100 m的风机对周围一定范围内的下行闪电有吸引作用，可以将周围一定范围内的下行闪电吸引到其自身上。（2）在风电场建成后地闪回击的峰值电流的算术平均值（约为15.2 kA）相比于建设前的峰值电流的算术平均值（约为28.2 kA）有明显减小，但雷电流的陡度值（约为11 kA/μs）较建设前雷电流陡度值（约为9.6 kA/μs）明显增大。

关键词：风电场；闪电；地闪定位网；回击分布变化

摘 要：本文基于四川省闪电定位资料，结合昭觉风电场场址情况，分析了在四川西部高原上一个高海拔风电场建设前后附近地闪回击分布变化特征，揭示了风电场的建立对周围地闪活动规律的影响，并探讨了地闪活动发生变化的可能原因。结论如下：（1）风电场建成后闪电接地点的位置更加集中，出现了3个地闪回击密度相对高值区，大多数回击点的位置沿着风机布局方向。高度超过100 m的风机对周围一定范围内的下行闪电有吸引作用，可以将周围一定范围内的下行闪电吸引到其自身上。（2）在风电场建成后地闪回击的峰值电流的算术平均值（约为15.2 kA）相比于建设前的峰值电流的算术平均值（约为28.2 kA）有明显减小，但雷电流的陡度值（约为11 kA/μs）较建设前雷电流陡度值（约为9.6 kA/μs）明显增大。

关键词：风电场；闪电；地闪定位网；回击分布变化

1 引言

近年来，我国社会经济和工业的飞速发展，能源的需求不断加大，亟需开发新能源来满足社会经济的可持续发展和环境保护的要求。因此，许多新型能源成为了能源未来的发展方向。风能作为一种清洁的可再生能源，其开发和使用技术已相对成熟，并且我国风能资源丰富，在许多地区已经开展了规模化开发和商业化应用。风电放电在经济、环境和安全方面优势明显，是经济可行型、环境友好型和安全性能较高的产业。因此，各风资源充沛地区都建设了大型风电场，但由于场址大都建设在空旷的山区，雷击风力发电机的情况时有发生，已经成为影响风电场的安全运行的主要气象灾害。

本文利用四川省闪电监测系统获取的地闪定位资料，结合风电场场址情况，分析了川西南一个高海拔风电场建设前后地闪回击分布变化特征，并讨论了高海拔风电场对周围区域地闪活动的影响。

2 数据和方法

2.1 四川省闪电监测网系统

本文基于四川省闪电监测网系统获取的地闪定位数据。四川省闪电监测系统由一个主站（成都）和27个子站组成，在架设站点时充分考虑了探测范围、系统对雷电的定位精度要求、场址通讯条件和地形等因素，其测站的分布如图1所示。整个由ADTD地闪探测仪、中心数据处理站、用户数据服务网络和图形显示终端构成。ADTD地闪探测仪的探测半径约为150 km，两个子站间的平均距离约为150~180 km，侧向精度为±1°。系统基于方位汇合和到达时间差技术，可对整个四川省进行24小时的闪电进行全天候观测。该系统可探测地闪回击接地点位置（经纬度）、发生时间、雷电流幅值和极性等物理特征参数。站网内回击发生时间和波形特征参量的精度优于10-7秒，回击位置精度优于300 m，回击峰值电流强度和雷电流陡度值相对误差都小于15%^[2]。该地闪定位系统的有效探测方位基本覆盖率四川省平原和丘陵的大部分地区以及西部高原80%以上的区域^[3]。

由于多站定位误差要比双站交汇误差小，为了保证定位数据的可靠性，我们对观测到的地闪定位数据进行了删选，只选择使用三站及三战以上的闪电定位结果，并且对地闪回击的峰值电流和陡度值作了误差校正。

图1 四川省闪电监测网探测站分布图

2.2 风电场场址信息

华能昭觉风电场（以下简称“昭觉风电场” ）位于四川省凉山彝族自治州昭觉县东南部山区（范围：经度102º57'53"E~103º02'06"E，纬度27º50'02"N~27º58'35"N），场址中心点经纬度为27°54'59.13"N、103°00'48.14"E。场址区规划总面积约为130 km2，地形高差较大，海拔高度1900～3406.6 m，相对高差1506.6 m。风机组分布不规则，比较分散，沿山脊呈三条近于平行的线状布置，海拔高程2500～3300 m。

昭觉风电场地处川西高原，区域为高原气候，具备典型的高原雷暴特征。这主要是复杂的地形背景加之青藏高原的热力作用和短波系统影响，使得当地主要以短时热力性雷暴为主。昭觉县气象气候以及四川省雷电监测网多年雷电监测资料统计，年平均雷暴日数为58.9天，属高雷暴区。

风机机位沿南北走向连续山体布置，垂直于主导风能方向排列，相邻风机的间距在约为300~800 m，平均间距约为500 m，两风机位置的最大连线长度约9 km。风机外部机位站点高约70米；叶片最高点约116.29米（风轮直径约92.58米）。

3 分析和结果

本文选用了2006-2017年地闪定位资料。 因昭觉风电场风电机组于2014年底全部吊装完毕，我们将2014年之前（2006-2014年）和之后（2015-2017年）分别作为风电场建设前后的两个阶段进行分析。由于风场址中心点距离最远的风力发电机约为9 km。考虑到风力发电机对下行闪电有吸引作用。我们将以场址中心点半径10 km范围的圆形区域作为研究区域，来分析风电场建设前后对附近闪电分布特征的影响。

在风力发电机上发生闪电的回击次数是评估风机雷击风险的重要参数，是风机的雷电防护技术的设计重要物理参量。因此我们对风电场建设前后研究区域内的闪电回击作了详细的统计。表1为2006-2017年研究区域内发生的雷击信息。由表可知，13年中研究区域内总共约有885次回击发生，其中2007年最多，为188次。年平均回击次数约74个，回击密度为 0.23次/年/km2。所有回击的峰值电流的算术平均值约为25.3 kA，雷电流陡度的算术平均值约为10.2 kA/μs，其中2008年的回击峰值电流和陡度值均最大。风电场建设前（2006-2014年）研究区域内年平均回击密度约为0.27次/年/km2，而风电场建设后（2015-2017年）研究区域内年平均回击数密度约为0.14次/年/km2，比建设前约减少了一半，这主要是研究区域雷暴活动的年际变化原因导致的。

表1 2006-2017年昭觉风电场中心区域半径10 km范围内发生的雷击信息

风电场建设状态	年份	回击数	回击密度 （次/年/km2）	回击峰值电流算术平均值（kA）	雷电流陡度算术平均值（kA/μs）
建设前	2006-2008	429	0.46	49.9	10.2
	2009-2011	145	0.15	18.0	8.5
	2012-2014	183	0.19	16.7	10.2
建成后	2015-2017	128	0.14	15.2	11.0

3.1 场区建设前后地闪回击空间分布变化特征

图2为风电场建成前（图2a）和建成后（图2b）研究区域内地闪回击的空间分布图。由图2a可见，风电场建成前研究区云内闪电回击的接地点位置比较离散，地闪回击位置分布相对均匀，仅在研究区域西北方向上有一个回击接地点位置的相对密集区。结合风电场场址的高程信息发现，回击相对密集的西北区对应的海拔高度要高，因此表明风电场建设前，区域内的地闪活动主要受区域地形地貌因素的影响。

图2b可见在风电场建成后闪电接地点的位置更加集中，而且较多回击点的位置是沿着风机布局方向。图中明显有3个地闪回击密度相对高值区（如图中区域1、2和3），其中区域3内的回击密度最大，也是布置风机的最密集区域。值得注意的是，一些回击的接地点在风机布置位置的附近约300 m内，甚至有少量的回击点非常靠近风机位置，与风机相距不超过100 m。因四川闪电监测网系统探测的回击精度小于300 m，我们将距离风机位置小于300 m的回击接地点认为是发生在风机上的回击过程。

图2 风电场建设前后场址区域雷电空间分布，颜色表示密度大小

风电场建成后地闪回击接地点变得相对集中是因为超过100 m高的风机建成后风机对周围一定范围内的下行闪电有吸引作用，可以将周围一定范围内的下行闪电吸引到其自身上。

3.2 场区建设前后地闪回击峰值电流变化特征

图4为风电场建设前后地闪回击峰值电流统计直方图。由图可知，在风电场建成后地闪回击的峰值电流的算术平均值（约为15.2 kA）相比于建设前的峰值电流的算术平均值（约为28.2 kA）有明显减小，但雷电流的陡度值（约为11 kA/μs）较建设前雷电流陡度值（约为9.6 kA/μs）明显增大，表明发生在研究区域，尤其是在风机上闪电的强度变弱。

风机建成后，回击的峰值电流的减小，而雷电流陡度值（约为9.6 kA/μs）明显增大，推测可能是当雷暴云过顶时，由于叶片尖端的存在使得在其上产生了明显得电场畸变，当旋转地叶片尖端上累积到足够的电荷后，达到先导激发阈值，在其上激发了上行闪电，但由于上行闪电的回击峰值电流一般较下行闪电要小，风电场区域内回击峰值电流变小。且由于回击后雷电流在风机上不断的反射作用，使得雷电流波形持续时间变长，因此，陡度值明显减小。

图4 风电场建成前（2006-2014）和建成后（2015-2017）地闪回击峰值电流

4 结论与讨论

本文基于四川省闪电定位资料，结合昭觉风电场场址情况，分析了在四川西部高原上一个高海拔风电场建设前后附近地闪回击分布变化特征，揭示了风电场的建立对周围地闪活动规律的影响，并探讨了地闪活动发生变化的可能原因。结论如下：

1、风电场建成后闪电接地点的位置更加集中，出现了3个地闪回击密度相对高值区，大多数回击点的位置沿着风机布局方向。高度超过100 m的风机对周围一定范围内的下行闪电有吸引作用

2、在风电场建成后地闪回击的峰值电流的算术平均值（约为15.2 kA）相比于建设前的峰值电流的算术平均值（约为28.2 kA）有明显减小，但雷电流的陡度值（约为11 kA/μs）较建设前雷电流陡度值（约为9.6 kA/μs）明显增大。

3、风电场建成后，风机所在位置处300 m附近的地闪回击密度明显增大。128次回击中共有30次发生在风机上，表明风机建成后可以将周围一定范围内的下行闪电吸引到其自身上。

参考文献

[1]郭子炘，李庆民，闫江燕，等．海上风电场雷击演化物理机制的研究综述[J]．电机工程学报，2015，10(5)：10-19．

[2]Wang D, Takagi N, Watanabe T, et al. Observed characteristics of upward leaders that are initiated from a windmill and its lightning protection tower[J]. Geophysical Research Letters, 2008, 35(2):196-199.

[3]张琨, 余海蓉, 罗可妮. 四川省三维闪电数据与二维闪电数据的对比分析[J]. 通讯世界, 2019(7).

[4] 刘畅, 赵鹏国, 周筠珺, et al. 复杂地貌区域内的地闪特征分析[J]. 高压电器, 2011, 47(1).

作者简介：李文明（1984.02），男，汉族，四川省广安市人，硕士研究生，工程师，从事雷电防护技术研究及服务工作。

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