基于歷史雷電移動軌跡統(tǒng)計特性的主動防雷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及海上風(fēng)電場的防雷技術(shù)，特別涉及一種基于雷電定位系統(tǒng)的歷史雷電移動軌跡統(tǒng)計特性的主動防雷方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，電力系統(tǒng)防雷技術(shù)領(lǐng)域中所采用的防雷措施多屬于被動防雷。對于部分特別重要、對雷電敏感且地域集中的構(gòu)筑物如煉油廠、油庫等，還可能圍繞廠區(qū)外圍架設(shè)獨(dú)立避雷針和避雷線，以提前泄放雷云電荷，保護(hù)廠區(qū)內(nèi)重要構(gòu)筑物安全。
[0003]國內(nèi)外大量風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行經(jīng)驗表明，雷擊災(zāi)害對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全可靠運(yùn)行構(gòu)成突出威脅?，F(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的高度通常超過150m，其暴露在外的風(fēng)機(jī)葉片和引擎蓋通常由復(fù)合材料所制成，不能直接承受雷擊或傳導(dǎo)雷電電流，遭受雷擊時極易造成損傷；其次，雷電流由接閃器經(jīng)風(fēng)機(jī)泄放入地時，可能拉電弧燒傷軸承，燒傷印痕在軸承旋轉(zhuǎn)過程中將被放大凸顯，威脅風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行;最后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)屬于弱電系統(tǒng)，更容易在雷擊時損毀。對于海上風(fēng)電場而言，一方面，雷擊事故后如造成設(shè)備損傷和停機(jī)，需視海況擇機(jī)乘船進(jìn)行維護(hù)檢修，檢修維護(hù)費(fèi)用和停機(jī)造成的發(fā)電量損失均遠(yuǎn)高于陸上風(fēng)電；另一方面，因地勢平坦且機(jī)組高聳，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)更易受雷電侵襲。根據(jù)德國、丹麥等國的統(tǒng)計資料顯示，在雷電較少(雷電密度僅為0.2-0.5次/年+M2)的西歐地區(qū)，每100臺風(fēng)機(jī)每年約有4.6臺遭遇雷擊。而在我國東南沿海地區(qū)，雷電密度往往高達(dá)20次/年‘kM2，接近為西歐地區(qū)的100倍，進(jìn)行大規(guī)模建設(shè)海上風(fēng)電場后，雷擊可能對風(fēng)電場的可靠運(yùn)行帶來非常嚴(yán)重的危害。盡管近年來風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雷電防護(hù)水平已有所提高，但海上風(fēng)機(jī)葉片和軸承等薄弱部位的防雷仍難以滿足實際要求。
[0004]如果像煉油廠、油庫等重要目標(biāo)一樣，沿海上風(fēng)電場外圍架設(shè)獨(dú)立避雷針和避雷線，有可能顯著降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭雷擊的概率，但海上風(fēng)電場往往長、寬達(dá)幾公里，沿海上風(fēng)電場外沿修建獨(dú)立避雷針、架設(shè)避雷線，從經(jīng)濟(jì)性和可靠性的角度來看，皆不可行。
[0005]實際上，受地質(zhì)地形、季風(fēng)風(fēng)向等因素影響，雷電的移動軌跡往往具有一定規(guī)律性。如對于陸地上的山地峽谷地形而言，雷云往往隨峽谷走向迀移，其雷電移動軌跡也會大致處于峽谷之間。沿海地區(qū)，同樣可能有類似特征。氣象領(lǐng)域的分析認(rèn)為，當(dāng)夏季熱帶氣旋移動至臺灣海峽或廣西境內(nèi)而其外圍雨帶仍未影響珠三角地區(qū)時，熱帶氣旋的下沉氣流會使得華南沿岸地區(qū)云量稀少。在長時間的日照下，廣東內(nèi)陸地區(qū)下午會變得酷熱，地面溫度上升可能會激發(fā)雷暴產(chǎn)生。由于當(dāng)時該區(qū)大氣層中層的背景風(fēng)一般為北至東北風(fēng)，因此內(nèi)陸產(chǎn)生的雷暴會由北、偏北方向向南移動，橫掃整個珠三角地區(qū)。
[0006]根據(jù)對雷電時域分布的統(tǒng)計，沿海地區(qū)雷電一般集中發(fā)生在極少數(shù)雷暴、暴雨時段。以香港為例，近十年來香港地區(qū)總計監(jiān)測到雷電120萬次，其中雷電日最多的56天，雷電次數(shù)達(dá)到近60萬次，占到全部統(tǒng)計日的一半以上。如果能把握該些雷電運(yùn)動軌跡的統(tǒng)計規(guī)律，即可確定海上風(fēng)電場等目標(biāo)區(qū)域的概率性雷電移動軌跡，并在雷電移動軌跡的上游方向架設(shè)避雷線，釋放由上游沿雷電軌跡移動雷云的電荷，顯著降低目標(biāo)區(qū)段遭雷擊的概率，實現(xiàn)主動防雷保護(hù)。
[0007]近年來出現(xiàn)的雷電定位系統(tǒng)記錄了海量的雷電數(shù)據(jù)，這些雷電數(shù)據(jù)中包含有雷電流幅值、地理坐標(biāo)和雷擊精確時刻等大量翔實信息。當(dāng)前，主要是利用這些信息進(jìn)行分區(qū)域的雷電密度分析，并根據(jù)雷電密度評估所采集到的雷電參數(shù)和三維GIS掃描所得到的線路地形參數(shù)以及電力系統(tǒng)輸電線路所選用的線路參數(shù)，根據(jù)所建立的模型進(jìn)行跳閘率的計算，從而對輸電區(qū)域進(jìn)行防雷等級的評估。然后根據(jù)防雷評估等級的高低對其不同區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的防雷保護(hù)。這在一定程度上減少了防雷的盲目性，加強(qiáng)了針對性，但實質(zhì)上還是對所有輸電區(qū)域進(jìn)行了全段保護(hù)，只不過保護(hù)措施不同而已。通常的防雷裝置的保護(hù)思想是在被動等候雷電來臨，定向引導(dǎo)雷電流入地泄放。實際上，利用雷電定位系統(tǒng)記錄雷電數(shù)據(jù)，可以識別雷電迀移軌跡，并利用這些雷電迀移軌跡的統(tǒng)計規(guī)律進(jìn)行主動性防雷，在雷云移動到目標(biāo)區(qū)域前泄放掉雷云電荷，降低目標(biāo)區(qū)域雷擊概率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:針對現(xiàn)有技術(shù)中上述海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷難題，提供一種基于歷史雷電移動軌跡統(tǒng)計特性的主動防雷方法。該方法以現(xiàn)有雷電定位系統(tǒng)記錄的歷史雷電數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以防雷目標(biāo)區(qū)域的外圍區(qū)域為范圍，選出該外圍區(qū)域范圍內(nèi)的所有歷史雷電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。因雷電具有時間上的高度不均勻分布特征，少數(shù)雷電較多日的雷電次數(shù)即可能占全部歷史雷電記錄次數(shù)的半數(shù)以上，選擇前20%雷電較多日展開分析，即可把握雷電軌跡的概率性統(tǒng)計特征。為確定較多雷電日的雷電移動軌跡，將選出的雷電較多日逐個按5至10分鐘分解成多個時間段，為避免僅有極少雷電的時間段可能存在雷電密度中心隨機(jī)性突出的影響，去除雷電次數(shù)少于5次的時間段，計算剩余的各時間段的雷電密度中心，以分別得到各較多雷電日的雷電密度中心移動軌跡。最后，根據(jù)該些較多雷電日的雷電移動軌跡的統(tǒng)計特征，選擇集中30%以上走向相同的雷電移動軌跡的方向為大概率雷電移動軌跡方向，并在目標(biāo)區(qū)域的大概率雷云移動軌跡的上游20公里以內(nèi)選擇合宜位置，布設(shè)獨(dú)立避雷針、架設(shè)避雷線。
[0009]因雷電移動軌跡的統(tǒng)計特性是由地形和氣候因素所決定，不會發(fā)生明顯的變化，應(yīng)用上述方法能將大概率雷電移動軌跡方向上向目標(biāo)區(qū)域移動的雷云電荷泄放入地，顯著降低雷云進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域后的雷擊概率，實現(xiàn)對防雷目標(biāo)區(qū)域的主動防雷。
[0010]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種基于歷史雷電移動軌跡統(tǒng)計特性的主動防雷方法，該方法步驟如下:
A.以防雷目標(biāo)區(qū)域為中心點(diǎn)，將由該中心按長寬向四周各均勻擴(kuò)展3至10倍的區(qū)域作為外圍區(qū)域；
B.根據(jù)該外圍區(qū)域?qū)?yīng)的經(jīng)、瑋度，從雷電定位系統(tǒng)記錄的雷電數(shù)據(jù)中選出該外圍區(qū)域內(nèi)的所有歷史雷電數(shù)據(jù)，以統(tǒng)計發(fā)生過雷電的日期和天數(shù)，再將該些發(fā)生過雷電的日期按日雷電次數(shù)進(jìn)行降序排列，選取前20%的雷電較多日作為分析對象；
C.以5-10min為一時間段，將該選取的每個雷電日分解為數(shù)個時間段，剔除沒有雷電的時間段和雷電次數(shù)少于5次的時間段，計算剩余的每個時間段的雷電密度中心;依據(jù)該些雷電密度中心，采用最小二乘法繪制該些雷電日當(dāng)天的雷電密度中心移動軌跡(簡稱雷電移動軌跡); D.根據(jù)上述雷電密度中心移動軌跡，將集中30%以上走向相同的雷電中心移動軌跡的方向定為大概率雷電中心移動軌跡方向，并在防雷目標(biāo)區(qū)域大概率雷電密度中心軌跡的上游方向20公里以內(nèi)，選取合適位置架設(shè)獨(dú)立避雷針和避雷線，提前泄放沿軌跡向目標(biāo)區(qū)域移動雷云電荷，以降低目標(biāo)區(qū)域的雷擊概率。上述提及的雷電密度中心的計算，以及采用最小二乘法繪制歷史雷電日的雷電密度中心移動軌跡皆為現(xiàn)有技術(shù)。
[0011]因海上風(fēng)電場等防雷目標(biāo)區(qū)域往往只有幾平方公里，相對雷云而言面積狹小，雷電數(shù)據(jù)有限，可能存在明顯的雷電中心隨機(jī)性的問題。為降低隨機(jī)性影響，需將其范圍以目標(biāo)區(qū)域為中心向四周均勻擴(kuò)展至外圍區(qū)域，選取外圍區(qū)域內(nèi)的所有歷史雷電數(shù)據(jù)，分析得到目標(biāo)區(qū)域的歷史雷電移動軌跡。根據(jù)歷史雷電移動軌跡的統(tǒng)計特性與規(guī)律，在雷云移動的上游裝設(shè)獨(dú)立避雷針和避雷線，以在雷云移動到目標(biāo)區(qū)域前泄放雷電流，降低目標(biāo)區(qū)域被保護(hù)構(gòu)筑物遭雷擊概率，實現(xiàn)主動防雷。
[0012]本發(fā)明方法根據(jù)歷史雷電移動軌跡的統(tǒng)計特性，識別海上風(fēng)電場等防雷目標(biāo)區(qū)域雷電軌跡概率性的上游位置，并在上游位置的島嶼或海岸位置以較低成本架設(shè)獨(dú)立避雷針和避雷線，在雷電侵襲目標(biāo)區(qū)域前泄放雷云，以降低目標(biāo)區(qū)域內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭雷擊的概率。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明實施例的海上風(fēng)電場(防雷目標(biāo)區(qū)域)和外圍區(qū)域位置圖。
[0014]圖2是本發(fā)明實施例某一雷電日外圍區(qū)域的歷史雷電密度中心分布和雷電移動