基于历史雷电移动轨迹统计特性的主动防雷方法

摘要

一种基于历史雷电移动轨迹统计特性的主动防雷方法，该方法为：选定防雷目标区域后，从雷电定位系统中选取出目标区域的外围区域以内的所有历史雷电数据；将发生过雷电的日期按日雷电次数降序排列，选取前20%左右的雷电日进行分析。将每个雷电日按一定时间分解成数个时间段，计算每个时间段的雷电密度中心后，即可绘制每个雷电日的雷电密度中心移动轨迹；在此基础上，根据前20%雷电日的历史雷电移动轨迹的统计特性，确定目标区域的概率性雷电移动轨迹。据此，选取集中30%以上走向相同的雷电移动轨迹的方向为大概率雷电轨迹方向，并在目标区域大概率雷电轨迹方向的上游20公里以内选取适宜位置架设独立避雷针和避雷线，可显著降低目标区域的雷击概率。

权利要求

1.一种基于历史雷电移动轨迹统计特性的主动防雷方法，其特征在于，该方法步骤如下：

A.以防雷目标区域为中心，将由该中心按长宽向四周各均匀扩展3至10倍的区域作为外围区域；

B.根据该外围区域边界对应的经、纬度，从雷电定位系统记录的雷电数据中选出该外围区域内的所有历史雷电数据，以统计发生过雷电的日期和天数，再将该些发生过雷电的日期按日雷电次数进行降序排列，选取前20％的雷电日作为分析对象；

C.以5-10min为一时间段，将选取的每个雷电日分解为数个时间段，剔除没有雷电的时间段和雷电次数少于5次的时间段，计算剩余的每个时间段的雷电密度中心；依据该些雷电密度中心，采用最小二乘法绘制该些雷电日当天的雷电密度中心移动轨迹；

D.根据上述雷电密度中心移动轨迹，将集中30％以上走向相同的雷电密度中心移动轨迹的方向定为大概率雷电密度中心移动轨迹方向，并在防雷目标区域大概率雷电密度中心移动轨迹的上游方向20公里以内，选取合适位置架设独立避雷针和避雷线，提前泄放沿大概率雷电密度中心移动轨迹向防雷目标区域移动雷云电荷，以降低防雷目标区域的雷击概率。

说明书

基于历史雷电移动轨迹统计特性的主动防雷方法

技术领域

[0001] 本发明涉及海上风电场的防雷技术，特别涉及一种基于雷电定位系统的历史雷电移动轨迹统计特性的主动防雷方法。

背景技术

[0002] 目前，电力系统防雷技术领域中所采用的防雷措施多属于被动防雷。对于部分特别重要、对雷电敏感且地域集中的构筑物如炼油厂、油库等，还可能围绕厂区外围架设独立避雷针和避雷线，以提前泄放雷云电荷，保护厂区内重要构筑物安全。

[0003] 国内外大量风力发电机运行经验表明，雷击灾害对于风力发电机的安全可靠运行构成突出威胁。现代风力发电机的高度通常超过150m，其暴露在外的风机叶片和引擎盖通常由复合材料所制成，不能直接承受雷击或传导雷电电流，遭受雷击时极易造成损伤；其次，雷电流由接闪器经风机泄放入地时，可能拉电弧烧伤轴承，烧伤印痕在轴承旋转过程中将被放大凸显，威胁风机的安全运行；最后，风力发电机的控制系统属于弱电系统，更容易在雷击时损毁。对于海上风电场而言，一方面，雷击事故后如造成设备损伤和停机，需视海况择机乘船进行维护检修，检修维护费用和停机造成的发电量损失均远高于陆上风电；另一方面，因地势平坦且机组高耸，海上风力发电机更易受雷电侵袭。根据德国、丹麦等国的统计资料显示，在雷电较少(雷电密度仅为0.2-0.5次/年·kM2)的西欧地区，每100台风机每年约有4.6台遭遇雷击。而在我国东南沿海地区，雷电密度往往高达20次/年·kM2，接近为西欧地区的100倍，进行大规模建设海上风电场后，雷击可能对风电场的可靠运行带来非常严重的危害。尽管近年来风力发电机的雷电防护水平已有所提高，但海上风机叶片和轴承等薄弱部位的防雷仍难以满足实际要求。

[0004] 如果像炼油厂、油库等重要目标一样，沿海上风电场外围架设独立避雷针和避雷线，有可能显著降低风力发电机组遭雷击的概率，但海上风电场往往长、宽达几公里，沿海上风电场外沿修建独立避雷针、架设避雷线，从经济性和可靠性的角度来看，皆不可行。

[0005] 实际上，受地质地形、季风风向等因素影响，雷电的移动轨迹往往具有一定规律性。如对于陆地上的山地峡谷地形而言，雷云往往随峡谷走向迁移，其雷电移动轨迹也会大致处于峡谷之间。沿海地区，同样可能有类似特征。气象领域的分析认为，当夏季热带气旋移动至台湾海峡或广西境内而其外围雨带仍未影响珠三角地区时，热带气旋的下沉气流会使得华南沿岸地区云量稀少。在长时间的日照下，广东内陆地区下午会变得酷热，地面温度上升可能会激发雷暴产生。由于当时该区大气层中层的背景风一般为北至东北风，因此内陆产生的雷暴会由北、偏北方向向南移动，横扫整个珠三角地区。

[0006] 根据对雷电时域分布的统计，沿海地区雷电一般集中发生在极少数雷暴、暴雨时段。以香港为例，近十年来香港地区总计监测到雷电120万次，其中雷电日最多的56天，雷电次数达到近60万次，占到全部统计日的一半以上。如果能把握该些雷电运动轨迹的统计规律，即可确定海上风电场等目标区域的概率性雷电移动轨迹，并在雷电移动轨迹的上游方向架设避雷线，释放由上游沿雷电轨迹移动雷云的电荷，显著降低目标区段遭雷击的概率，实现主动防雷保护。

[0007] 近年来出现的雷电定位系统记录了海量的雷电数据，这些雷电数据中包含有雷电流幅值、地理坐标和雷击精确时刻等大量翔实信息。当前，主要是利用这些信息进行分区域的雷电密度分析，并根据雷电密度评估所采集到的雷电参数和三维GIS扫描所得到的线路地形参数以及电力系统输电线路所选用的线路参数，根据所建立的模型进行跳闸率的计算，从而对输电区域进行防雷等级的评估。然后根据防雷评估等级的高低对其不同区域进行相应的防雷保护。这在一定程度上减少了防雷的盲目性，加强了针对性，但实质上还是对所有输电区域进行了全段保护，只不过保护措施不同而已。通常的防雷装置的保护思想是在被动等候雷电来临，定向引导雷电流入地泄放。实际上，利用雷电定位系统记录雷电数据，可以识别雷电迁移轨迹，并利用这些雷电迁移轨迹的统计规律进行主动性防雷，在雷云移动到目标区域前泄放掉雷云电荷，降低目标区域雷击概率。

发明内容

[0008] 本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术中上述海上风力发电机组的防雷难题，提供一种基于历史雷电移动轨迹统计特性的主动防雷方法。该方法以现有雷电定位系统记录的历史雷电数据为基础，以防雷目标区域的外围区域为范围，选出该外围区域范围内的所有历史雷电数据进行分析。因雷电具有时间上的高度不均匀分布特征，少数雷电较多日的雷电次数即可能占全部历史雷电记录次数的半数以上，选择前20％雷电较多日展开分析，即可把握雷电轨迹的概率性统计特征。为确定较多雷电日的雷电移动轨迹，将选出的雷电较多日逐个按5至10分钟分解成多个时间段，为避免仅有极少雷电的时间段可能存在雷电密度中心随机性突出的影响，去除雷电次数少于5次的时间段，计算剩余的各时间段的雷电密度中心，以分别得到各较多雷电日的雷电密度中心移动轨迹。最后，根据该些较多雷电日的雷电密度中心移动轨迹的统计特征，选择集中30％以上走向相同的雷电密度中心移动轨迹的方向为大概率雷电密度中心移动轨迹方向，并在防雷目标区域的大概率雷电密度中心移动轨迹的上游20公里以内选择合宜位置，布设独立避雷针、架设避雷线。

[0009] 因雷电移动轨迹的统计特性是由地形和气候因素所决定，不会发生明显的变化，应用上述方法能将大概率雷电密度中心移动轨迹方向上向防雷目标区域移动的雷云电荷泄放入地，显著降低雷云进入防雷目标区域后的雷击概率，实现对防雷目标区域的主动防雷。

[0010] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于历史雷电移动轨迹统计特性的主动防雷方法，该方法步骤如下：

[0011] A.以防雷目标区域为中心点，将由该中心按长宽向四周各均匀扩展3至10倍的区域作为外围区域；

[0012] B.根据该外围区域对应的经、纬度，从雷电定位系统记录的雷电数据中选出该外围区域内的所有历史雷电数据，以统计发生过雷电的日期和天数，再将该些发生过雷电的日期按日雷电次数进行降序排列，选取前20％的雷电较多日作为分析对象；

[0013] C.以5-10min为一时间段，将该选取的每个雷电日分解为数个时间段，剔除没有雷电的时间段和雷电次数少于5次的时间段，计算剩余的每个时间段的雷电密度中心；依据该些雷电密度中心，采用最小二乘法绘制该些雷电日当天的雷电密度中心移动轨迹(简称雷电移动轨迹)；

[0014] D.根据上述雷电密度中心移动轨迹，将集中30％以上走向相同的雷电密度中心移动轨迹的方向定为大概率雷电密度中心移动轨迹方向，并在防雷目标区域大概率雷电密度中心移动轨迹的上游方向20公里以内，选取合适位置架设独立避雷针和避雷线，提前泄放沿大概率雷电密度中心移动轨迹向防雷目标区域移动雷云电荷，以降低防雷目标区域的雷击概率。上述提及的雷电密度中心的计算，以及采用最小二乘法绘制历史雷电日的雷电密度中心移动轨迹皆为现有技术。

[0015] 因海上风电场等防雷目标区域往往只有几平方公里，相对雷云而言面积狭小，雷电数据有限，可能存在明显的雷电中心随机性的问题。为降低随机性影响，需将其范围以防雷目标区域为中心向四周均匀扩展至外围区域，选取外围区域内的所有历史雷电数据，分析得到防雷目标区域的历史雷电移动轨迹。根据历史雷电移动轨迹的统计特性与规律，在雷云移动的上游装设独立避雷针和避雷线，以在雷云移动到防雷目标区域前泄放雷电流，降低防雷目标区域被保护构筑物遭雷击概率，实现主动防雷。

[0016] 本发明方法根据历史雷电移动轨迹的统计特性，识别海上风电场等防雷目标区域雷电轨迹概率性的上游位置，并在上游位置的岛屿或海岸位置以较低成本架设独立避雷针和避雷线，在雷电侵袭防雷目标区域前泄放雷云，以降低防雷目标区域内风力发电机组遭雷击的概率。

附图说明

[0017] 图1是本发明实施例的海上风电场(防雷目标区域)和外围区域位置图。

[0018] 图2是本发明实施例某一雷电日外围区域的历史雷电密度中心分布和雷电移动轨迹图。

[0019] 图3是本发明实施例中雷电最多的19天外围区域的历史雷电密度中心轨迹图。

具体实施方式

[0020] 以下通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

[0021] 本发明首先选定防雷目标区域及其外围扩展区域，利用现有雷电定位系统记录的历史雷电数据，根据防雷目标区域雷电移动轨迹的统计特性，确定防雷目标区域的大概率雷电移动轨迹的上游位置，为选择设置防雷目标区域的构筑物防雷提供有效的参考依据。

[0022] 具体地，本发明的基于历史雷电移动轨迹统计特性的主动防雷方法的步骤如下：

[0023] A.为了准确获得防雷目标区域雷电移动轨迹上游的雷云移动规律，从而在雷云移动到防雷目标区域前泄放雷云电荷，雷电数据采集区应大于该防雷目标区域。因此，以该防雷目标区域为中心，将由该中心向四周按长宽向四周均匀扩展3-10倍的区域作为外围区域；

[0024] B.根据该外围区域边界的经、纬度，从雷电定位系统记录的雷电数据中选出该外围区域内的所有历史雷电数据，统计发生过雷电的日期和天数；再将该些发生过雷电的日期按日雷电次数进行降序排列，然后选取前20％的雷电日作为分析对象。如：假设香港地区近10年来发生过雷电的天数为400天，则将该400天按日雷电次数进行降序排列，选取日雷电次数多的前20％即前80天作为下一步骤的分析对象。

[0025] C.将选取的雷电日以5-10min为一时间段逐个分解为数个时间段(如，以雷电日2009年9月13日作为分析对象，以10分钟为一时间段，则可将该天分为144(24×6)个时间段)，删除没有雷电的时间段和雷电次数少于5次的时间段，计算剩余的每个时间段的雷电密度中心；因单个雷电日内不同时间段雷电密度中心可能沿移动轨迹方向漂移，依据上述各时间段的雷电密度中心，采用最小二乘法计算确定和绘制出每个雷电日当天的雷电密度中心移动轨迹；

[0026] D.依据上述历史雷电密度中心移动轨迹在防雷目标区域内的走向，根据移动轨迹统计特性确定防雷目标区域雷电移动轨迹的上游位置，在该防雷目标区域内于雷云移动的上游合宜地段架设独立避雷针、避雷线和避雷网等防雷装置，以便在雷电侵袭防雷目标区域前泄放雷电，实现防雷目标区域构筑物的主动防雷。具体地，将集中30％走向相同的雷电密度中心移动轨迹的方向定为大概率雷电密度中心移动轨迹方向，并在防雷目标区域大概率雷电密度中心移动轨迹的上游方向20公里以内，选取适宜位置架设独立避雷针和避雷线，提前泄放沿轨迹向防雷目标区域移动雷云电荷，降低防雷目标区域雷击概率。

[0027] 实施例1

[0028] 以香港电灯有限公司在香港境內南丫岛附近海域建设的海上风力发电场为例。该海上风力发电场离岸风电场的面积为9平方公里，选用其3km×3km的面积区域代表该风电场的防雷区域以作为防雷目标区域。为弄清侵袭该风电场的雷电移动轨迹，以该风电场为中心向外扩展，选择其外围长、宽各15kM(5倍目标区域长宽)海域作为外围区域(见图1中的二方框，内部的小方框为目标区域，大方框为外围区域)。以所选用外围区域对应的经度和纬度，从雷电定位系统记录的雷电数据中找出近十年来该外围区域内的所有历史雷电数据为55729次，集中在460天内，将该460天按日雷电次数进行降序排列后，选取前92天(20％)作为分析对象。将该92天以10分钟为一时间段，将每天分解为144个时间段，剔除没有发生过雷电的和雷电次数少于5次的时间段，然后计算剩余的每一时间段的雷电密度中心。再根据当前雷电日的多个雷电密度中心，采用最小二乘法计算并绘制出每个雷电日当天的雷电移动轨迹(如，2009年9月13日雷电次数3837，拟合得出的雷电密度中心移动轨迹见图2中的直线)，依此得到选取的每个雷电日的雷电密度中心移动轨迹，根据该些历史雷电密度中心移动轨迹来表征该风电场的概率性雷电轨迹。图3中仅绘出雷电最多的19天(占到全部雷电的半数以上)，根据这19天的历史雷电密度中心移动轨迹为例来说明该风电场的概率性雷电轨迹。

[0029] 由图可见，该海上风电场区域19次较多雷电日的雷电移动轨迹中，仅有一条是从南往北移动，十条是从西北方向往东南方向移动，八条由东北方向往西南方向移动，因此，将从西北往东南方向移动及东北往西南方向移动定为大概率雷电密度中心移动轨迹方向。

[0030] 结合当地实情，在该海上风电场20公里距离内，有东北方位的南丫岛和西北方位的长洲岛。其中长洲岛面积约2平方公里，常住人口达3万，人口稠密且岛上有旅游景点，不宜装设避雷针和避雷线进行主动雷电防护；而东北方位的南丫岛面积14平方公里，常住人口较少，且海岛山脊海拔在100米到300米之间，可在其上架设避雷针和避雷线，即可将由东北方向西南方移动雷云电荷泄放入地。因较多雷电的19天总雷电次数为25206次，而雷电轨迹由东北向西南移动的日雷电次数达12521次，在南丫岛上架设避雷针和避雷线预先泄放雷云电荷，进行海上风力发电机组的主动式防雷保护，有可能显著降低海上风力发电机组遭雷击的概率，保障风电场的安全稳定运行。

[0031] 本方法不会受地理环境的限制，只要找出该防雷区域的雷电移动轨迹规律，即可实现对其区域的有效主动防雷，并为以后的雷电防御提供参考依据。

[0032] 本实施例中是以海上风电场为对象进行描述的，实际上，陆地上的单块重点保护对象也可采用类似的方式予以保护，如核电站、特殊地形下易遭雷击的输电线路区段、或是地理上较为分散的油田、矿井等。

[0033] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。