Исследование молнии на территории ветряной электростанции в центре Канзаса

Видеонаблюдение, корреляция с данными NLDN и измерения пиковых значений тока.
Исследование молнии на территории ветряной электростанции в центре Канзаса

Николас Вилсон (Vaisala GmbH, Германия), Джексон Майерс (EDP Renewables, США), доктор Кеннет Кумминс (Аризонский университет, США), Мэтт Хаткинсон (EDP Renewables, США), доктор Амитаб Наг (Vaisala, Inc., США)

Поведение молнии по отношению к ветряным двигателям было изучено во время трёхмесячных полевых работ в северо-центральном округе Канзаса (США) летом 2012. Автоматические камеры были установлены вокруг ветряной электростанции, а устройства измерения - у основания лопастей. Мониторинг гроз был проверен при помощи данных National Lightning Detection Network (NLDN) и устройств измерения электрического поля, также установленных на ветровой электростанции.

Во время данного мероприятия видеокамерами было зафиксировано  семь ударов молнии, в двух случаях был нанесен ущерб. Восьмой разряд оказался вне поля видимости камеры, но тоже причинил ущерб. Во всех случаях молния ударила в лопасти. Высота ветряных двигателей - 125 м с размахом лопасти в 276 м, хотя стандартные вышки имеют размах 231 м. 

Североамериканские ветряные электростанции несут существенные расходы на ремонт лопастей в результате ударов молнии.

Некоторые лопасти нуждаются в ремонте или замене после удара. В некоторых случаях, они могут работать с уменьшенной аэродинамической эффективностью, или представлять угрозу безопасности. Бывает трудно сказать, какие именно лопасти получили удар и определить эксплуатационные качества системы защиты молнии относительно норм проектирования (например, IEC 61400-24). Американские данные National Lightning Detection Network (NLDN) обеспечивают хорошую отправную точку, поскольку они показывают, поблизости каких ветряных двигателей произошло большинство ударов после шторма. Не ясны, однако, их особенности  (близость, количество, пиковые значения тока, и т.д.), что препятствует анализу данных. Есть также опасения, что такая сеть обнаружения молнии, как NLDN, может не предупредить заранее о возможности удара молнии, что может привести к повреждению лопастей. Учитывая проблемы и вопросы, отмеченные выше, программа наблюдения за молниями была проведена летом 2012 на территории ветряной электростанции в северно-центральной части Канзаса. Данная ветряная электростанция была выбрана из-за высокого числа ударов молнии. В этом отчете мы представляем видео наблюдения, данные NLDN, и измерения, сделанные на месте ударов молнии. 

ПРЕДЫСТОРИЯ

Оборудование, фиксирующее молнии на высоких объектах, разрабатывалось в течение многих десятилетий. Приспособления и методы по обнаружению молнии, ударяющей по таким объектам, стали развиваться в 1970-х и 80-х гг. В результате длительной работы учёные пришли к выводу, что на территории с плоским ландшафтом вероятность удара молнии в объекты, находящиеся на высоте менее100 м, незначительна. Для объектов, находящихся на высоте более 100 м, вероятность увеличивается, достигая 100% на высоте 400 м. Также вероятность увеличивается, когда объект находится на возвышенной местности.

Недавно возобновился интерес к исследованию приложений по обнаружению молний в частности после строительства крупных ветряных электростанций в грозоактивных регионах.

СТРУКТУРА НАБЛЮДЕНИЯ

В этом исследовании мы представляем данные измерения, связанные с прямыми ударами молнии по лопастям электростанции, которые были зафиксированы видеокамерами. Исследование проходило с 12 июня 2012 по 7 сентября 2012 в северно-центральной части Канзаса, расположенной в центральных Великих равнинах США. Территория, на которой находится ветряная электростанция, имеет возвышенности высотой до 25 м. Высота центра двигателей составляет 80 м, а максимальная высота лопасти 125 м. Две цифровые системы видеонаблюдения (60 кадров в секунду) были настроены таким образом, чтобы автоматически снимать видео. Охватывали они общее поле зрения, которое включало восемь ветряных двигателей. Были установлены датчики NLDN для записи информации, которая позволяет сделать реконструкцию форм волны магнитного поля. (Рис. 1).

  

 

Рисунок 1. (слева направо) Установка видеокамеры на здание технического обслуживания; установка видеокамеры на дополнительную станцию; карта углов обзора видеокамеры; вид с камеры, установленной на ветряной электростанции. 

КРАТКИЙ ОБЗОР И ГРОЗОВАЯ АКТИВНОСТЬ

В общей сложности в течение18 из 88 дней исследования были зафиксированы удары молнии (20 или больше ударов) в пределах 25 км от здания технического обслуживания. Число ударов (удары молнии облако-земля, а также вспышки) за день (с 6:00 до 6:00 по Гринвичу) показано в гистограмме. (Рис. 2).

Рисунок 2. Гистограмма ежедневного поведения молнии в пределах 25 км  от здания технического обслуживания. Дни, выделенные желтым цветом, показывают удары молнии по лопастям, а те, что выделены красным, указывают на повреждение(-я) лопасти(-й) по данным видеокамер. Одно из повреждений лопасти произошло на востоке от ветряной электростанции 18 июля 2012, но данному случаю нет видео подтверждения.

Число ударов молнии по наблюдениям NLDN в пределах ветряной электростанции, которые попали в поле зрения видеокамеры, показаны  в Таблице 1.

87% (47/54) вспышек облако-земля были отрицательными. А также произошло 153 внутриоблачных импульса, которые не были сгруппированы во вспышки.

Тип молнии

Кол-во случаев

Отрицательные вспышки

        47

Положительные вспышки

         7

Число вспышек

        54

Число импульсов

       153

Общее кол-во

       207

Таблица №1. Количество вспышек, зафиксированных видеокамерами на ветряной электростанции по данным NLDN. 

Грозовая активность данной области в конце лета (24-36 недели) показана на Рис. 3. Синяя гистограмма показывает среднее число дней между вспышками за каждую календарную неделю в течение последних 11 лет. Это число колеблется между тремя и четырьмя днями в течение нашего периода исследования. Черная гистограмма показывает еженедельное среднее число ударов для этой области. Это число переменное, в пределах от 200 до 1000 ударов в неделю, среднее количество около 600. Для этой практической части среднее еженедельное число ударов молнии облако-земля в пределах 20 км от здания технического обслуживания  было 363, что значительно ниже среднего числа. Среднее число дней между ударами молнии во время исследования составило 3.73, что является типичным.

Рисунок 3. 11-летняя грозовая активность в радиусе 20 км от здания технического обслуживания. Недели, выделенные серым цветом,  представляют период исследования (недели 24-36). Оранжевая пунктирная линия показывает среднее число ударов молнии облако-земля (363) в неделю во время исследования.

РЕЗУЛЬТАТЫ

ВИДЕО И СУММИРОВАНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ

В общей сложности семь ударов молнии по ветряным двигателям были зафиксированы на видео, два из которых были замечены обеими камерами. Три из этих семи разрядов были восходящими, и ни один из этих трёх не был зарегистрирован SCADA. Два из разрядов облако-земля вызвали повреждения лопастей. Во время исследований были зафиксированы 54 вспышки, которые попали в поле зрения видеокамер.

SCADA (SCADA (supervisory control and data acquisition, диспетчерское управление и сбор данных) — программный пакет, предназначенный для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления).

Система SCADA идентифицировала 26 случаев. Семь из этих случаев имели место в области исследования, пять из них были зафиксированы на видео. Система NLDN сообщила об ударах облако-земля (в радиусе меньше 1 км), кроме двух случаев, а также о вероятных ударах молнии (облако-земля). 

Рисунок 4. Гистограмма расстояний и ударов молнии по данным системы SCADA, (слева). Оценки пиковых значений тока (SCADA) и NLDN (справа).

АНАЛИЗ РАДИУСА ПРИТЯЖЕНИЯ

Радиус притяжения (расстояние возможного удара) определен как максимальное расстояние, на котором нисходящий лидер молнии может побудить восходящего лидера, что в итоге приведет к их столкновению. Это важный параметр, так как он помогает определить, каким образом молния ударяет по ветряным двигателям.

Радиус притяжения для ветряных двигателей на территории ветряной электростанции может быть вычислен при помощи накопленных данных о молнии в пределах 1 км от турбин, при использовании программного обеспечения Vaisala FALLS®. Плотность разрядов молнии на территории всей электростанции вычисляется по следующей формуле:


Ground strikes – удары по наземной цели

Turbine strikes – удары по турбинам

Total – общее количество

Средний радиус притяжения составлял 276 м от ветряной электростанции. Средний диапазон радиуса  - 125 м., что намного меньше.  

ТЕМАТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Как было отмечено ранее, в общей сложности семь ударов молний по турбинам были зафиксированы камерой, два из них были замечены обеими камерами. Три из этих семи событий были восходящими, и ни один из этих трех не был обнаружен системой SCADA. Однако, два удара молнии облако-земля вызвали повреждения лопастей. Также один случай повреждения лопасти не был зафиксирован камерами.

15 ИЮНЯ 2012

Первая вспышка молнии облако-земля была зафиксирована камерой в 4:37:54 15 июня. По данным SCADA место удара должно было быть на расстоянии 169 м от турбины. Повреждений зафиксировано не было. По данным NLDN возможным импульсом стала соседняя положительная вспышка облако-земля с пиковым значением тока  +78.4 кА.

  

Рисунок 5. Изображение с видеокамеры 15 июня 2012 (слева) и данные NLDN, удары молнии выделены красным (справа).

Во втором случае восходящий лидер был зафиксирован видеокамерой в 5:37:26. Удар не нанес ущерба. По данным NLDN соседняя положительная вспышка облако-земля, с пиковым значением тока 71.6 кА, послужила импульсом. Проливной дождь привел к проблемам работы станции.

 

Рисунок 6. Изображение с видеокамеры 15 июня 2012 (слева) и данные NLDN, удары молнии выделены красным (справа).

В третьем случае восходящие лидеры от двух турбин и возможного третьего источника были зафиксированы системой SCADA, что вызвало соседнюю положительную вспышку, наблюдаемую обеими камерами. Ущерба не последовало. 

 

Рисунок 7. Изображение с видеокамеры от 15 июня 2012 (слева) и данные NLDN, удары молнии выделены красным (справа).

26 ИЮЛЯ 2012

Камера зафиксировала отрицательную вспышку облако-земля в 0:25:22. Система NLDN определила удар на расстоянии 104 м от турбины с пиковым значением тока - 12.2 кА (8 кА по данным SCADA). Удар нанес ущерб лопасти. Камера зафиксировала вспышку длительностью примерно 250 милисекунды.

Вторая отрицательная вспышка облако-земля произошла в 0:34:02 и нанесла ущерб турбине. NLDN указал удар на расстоянии 84 м от турбины с пиковым значением тока - 22.1 кА (6 кА по данным SCADA), в то время как было ещё восемь ударов на расстоянии в 4 км (подтверждено камерами, установленными в данной местности).

 

Рисунок 8. Изображение c видеокамеры от 26 июля 2012 (слева) и данные NLDN, удары молнии выделены красным (справа).

2 АВГУСТА 2012

Камера зафиксировала отрицательную вспышку облако-земля в 8:17:01, второй удар которой попал по ветряному двигателю без нанесения ущерба. Система NLDN определила удар на расстоянии в 25 м от ветряного двигателя с пиковым значением тока 19.3 кА (6 кА по данным  SCADA). Камера зафиксировала вспышку длительностью примерно ~200 миллисекунды.

 

Рисунок 9. Изображение с видеокамеры от 2 августа 2012 (слева) и данные NLDN, удары молнии выделены красным (справа).

7 СЕНТЯБРЯ 2012

Движение восходящих лидеров к ветряным двигателям, которое не нанесло ущерб, было зафиксировано камерой. Данные NLDN показывают, что они были, скорее всего, вызваны одной-двумя соседними положительными вспышками облако-земля. Все «обратные ходы» были незначительными (меньше 3,5 кА)/

 

Рисунок 10. Изображение с видеокамеры от 7 сентября 2012 (слева) и данные NLDN, удары молнии выделены красным (справа).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Это исследование привело к получению информации относительно взаимодействия молнии с ветряными двигателями на равнинной местности. Эффективность обнаружения молнии NLDN составила 100%. Восходящая молния была инициирована соседним импульсом облако-земля, что было обнаружено со 100% эффективностью. Однако система продемонстрировала  0% эффективность обнаружения «обратного хода» тока во время данных восходящих вспышек. Повреждения лопастей были вызваны отрицательными вспышками облако-земля. Ветряные турбины имеют больший радиус притяжения, чем другие объекты такой же высоты. Мы советуем проверять системы защиты молнии ветряного двигателя регулярно, чтобы минимизировать риск повреждения от ударов молнии.

БЛАГОДАРНОСТИ

Мы хотели бы поблагодарить Джона Крамера и Томми Тернера, предоставивших данные NLDN, Мэйсона Квика за помощь в установке оборудования, и Джастина Стейнброка за помощь во время исследования. 

Все статьи