_风电机组机舱法拉第笼雷电屏蔽特性仿真分析
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风电机组机舱法拉第笼雷电屏蔽特性仿真分析
杨奎滨1 段雁超2 余业祥1 付斌1 张春红1
1． 东方电气风电有限公司，四川 德阳 618000； 2． 西安爱邦电磁技术有限责任公司，西安 710000
摘要： 风电机组非金属材料的机舱罩壳一般会设置法拉第笼，起接闪导流和雷电电磁屏蔽的作用，而屏蔽特性与法拉第笼
（ a） 有法拉第笼 － 电场
（ b） 有法拉第笼 － 磁场
（ a） 标记点
（ c） 无法拉第笼 － 电场
（ b） 电场
（ d） 无法拉第笼 － 磁场 图 3 机舱罩内部雷电电磁场分布
（ c） 磁场 图 4 机舱罩内部雷电电磁场随时间变化
3 网格尺寸与雷电电磁屏蔽的关系 为了研究网格尺寸与雷电电磁屏蔽之间的关
63
系，对机舱的法拉第笼进行简化，如图 5 所示。图 5 中有 4 种法拉第笼，其长、宽、高均为 10 m、7 m、6 m，每个面上分别有 2 × 2、4 × 4、8 × 8、16 × 16 个网格。根据同样的计算仿真，对法拉第笼 进行仿真计算，计算结果见图 6、图 7 和图 8。
图 6 和图 7 可以看出，2 × 2 的法拉第笼对雷 电电磁场只有少许的阻碍，4 × 4 和 8 × 8 的法拉第 笼明显可以看出对雷电电磁场有一定的阻碍作用，
Faraday Cage for Wind-turbine Nacelle
YANG Kuibin1 ，DUAN Yanchao2 ，YU Yexiang1 ，FU Bin1 ，ZHANG Chunhong1
( 1． Dongfang Electric Wind Power Co.， Ltd，618000，Deyang，Sichuan，China; 2． Xi'an Airborne Electromagnetic Technology Co.， Ltd，710000，Xi'a罩壳上铺设雷电防护金属网； （ 3） 机舱罩壳通过铺设雷电金属网，形成的法拉第笼可以
有效地对雷电电磁场和其它干扰进行屏蔽，极大净化机舱内部的电磁环境，降低内部电子设备雷电间接防护等级，可有效
减少机舱内电源系统和信号系统浪涌保护器（ SPD） 的配置。本文数值计算结果为风电机组机舱的雷电电磁环境研究提供了
（ a） 有法拉第笼
（ b） 无法拉第笼 图 2 机舱罩雷电流传导模型
62
2 法拉第笼屏蔽特性分析
根据图 2 分别计算两种模型，图 3、图 4 为仿 真计算结果。图 3 为 25 μs 时的雷电电磁场在避雷 针附近的切面图，图 4 为机舱内部某点的雷电电磁 场随时间变化。
图 3 可以看出，两种特征的机舱内部电磁场分 布有所不 同，因 为 结 构 不 同 使 其 电 流 分 布 不 同， 导致内部电场场分布也有所不同。从图 3 中还可以 看出网格较大的法拉第笼并没有明显的对雷电电 磁场进行有效阻隔，雷电电磁场仍然可以穿透到 机舱内部。因此粗糙的法拉第笼并不能对雷电电 磁场进行有效的屏蔽，但是法拉第笼对雷电流进 行了一定的分流（ 见图3 （ a） 法拉第笼电流分布） ， 导致能量分散，空间电磁场有一定的衰减。图 4 是 内部靠近边缘的某点的雷电电磁场随时间的变化 图，有法拉第笼的机舱机内电磁场峰值小于没有 安装法拉第笼的机舱。
i=
I k
× 1
（ t / T1 ） 10 + （ t / T1 ）
10
×
exp（
－ t / T2 ）
（ 1）
其中： I0 = 200 000 A； k = 0. 93； T1 = 19 μs； T2 = 485 μs
电流峰值为 200 kA ± 20 kA，上升时间为 19 μs （ 10% 峰值电流上升到 90% 峰值电流所需要的时间） ， 且电流衰减至 1% 峰值电流的总时间为 485 μs。波形 图如图 1 所示。
图 5 4 种简化的机舱法拉第笼
（ a） 2 × 2
（ a） 2 × 2
（ b） 4 × 4
（ b） 4 × 4
（ c） 8 × 8
（ c） 8 × 8
（ d） 16 × 16 图 6 法拉第笼内部雷电电场分布
64
（ d） 16 × 16 图 7 法拉第笼内部雷电磁场分布
内部的场值数量级仍然比较大，16 × 16 法拉第笼内 部电磁场都有明显的阻碍，但是在边缘处仍然有 较大的电磁场 （ 103 量级） 存在。从以上的分析可 以看出网格尺寸大于 5 m × 3. 5 m 的法拉第笼对雷 电电磁场几乎没有屏蔽作用； 网格尺寸在 5 m × 3. 5 m 和 1. 25 m × 0. 86 m 之间的的法拉第笼对雷 电电磁场有一定的屏蔽作用； 小于 0. 63 m × 0. 44 m 的法拉第笼对内部雷电电磁场有较明显的屏蔽作 用，但是边缘处电磁场不能有效屏蔽。
61
网装机容量已达 1. 64 亿千瓦，占全部发电装机容 量的 9. 2% ，风电年发电量 3 057 亿千瓦时，占全 部发电量的 4. 8%［1］。由于风力发电机组安装于空 旷的地带，机 组 的 雷 电 防 护 安 全 尤 为 重 要。 风 电 机组机舱一般采用非金属材料，在机舱周围构成 一个法拉第笼结构，并合理确定法拉第笼中其他 导体的尺寸，以便能够承受它们所分流的雷电电 流［2］。非金属舱体外罩 （ 如玻璃钢外罩） 应增设 金属接闪网格，网格尺寸应不大于 5 m × 5 m，且 至少在机舱水平方向的四条棱角上布有金属网格 条。网格应能可靠接闪，承载所规定 LPL 的雷电 流，并能在一 定 程 度、 一 定 空 间 内 屏 蔽 雷 电 流 产 生的磁场、电场［3］。文献［4］通过公式计算了磁场 强度，在机组防雷设计时，可参考。
的网格结构相关。本文将法拉第笼进行数值建模，计算雷电流传导时的雷电电磁环境，评估法拉第笼对雷电电磁场的屏蔽
特性。分析结果表明： （ 1） 网格较大的法拉第笼对雷电电磁场几乎无屏蔽效果，但是法拉第笼对雷电流起到了良好的分散作
用，使其局部电流密度变小，导致空间电磁场减小； （ 2） 如果法拉第笼对雷电电磁场有屏蔽效果，则法拉第笼网格要尽可能
目前投 运 的 机 组 法 拉 第 笼 规 格 大 同 小 异， 基 本为大网格布置，法拉第笼对于机舱的雷电电磁 场的屏蔽效 果， 至 今 无 人 深 入 研 究 和 评 估。 本 文 通过数值建模分析，研究法拉第笼对于机舱的雷 电电磁场的屏蔽特性。
1 雷电传导建模
1. 1 电流波形 本仿真以 IEC 62305 中雷电标准波形为电流源
进行计算，表达式为：
图 1 雷电流波形
1. 2 数值建模 模拟雷 击 在 避 雷 针 后， 雷 电 流 经 机 舱 的 法 拉
第笼，建立模型如图 2 所示。图 2 中的机舱尺寸约 为长、宽、高约为 10. 4 m、7. 7 m、6. 3 m，机舱 罩为复合 材 料，法 拉 第 笼 和 引 下 线 为 铜 制 导 线。 图 2（ a） 法拉第笼的网格约为 5 m × 3 m，电流流经 法拉第笼接入底部平台。图 2 （ b） 没有法拉第笼， 避雷针的雷电流直接通过引下线接入底部平台。
风能作为一种清洁新能源，近 20 年得到了长 足的发展。截止 2017 年底，风力发电机组累计并
收稿日期： 2018 － 00 － 00 作者简介： 杨奎滨 （ 1983－ ） ，男，2012 年毕业于沈阳工业大学电气工程专业，硕士，工程师。现在东方电气风电有限公司研发部从事风力发
电机组电气系统、防雷接地系统方向工作。
重要的数据和理论支撑。
关键词： 风电机组； 电磁屏蔽； 雷电电磁场； 法拉第笼； 数值计算
中图分类号： TK83
文献标识码： A
文章编号： 1001－9006（ 2018） 04－0061－05
DOI:10.13661/ki.issn1001-9006.2018.04.014
Simulation Analysis of Lightning Shielding Characteristics of
Abstract: Faraday cage is usually installed in the non-metallic materials nacelle of wind-turbine， which plays the role of air-termination and down-conductor and lightning electromagnetic shielding，then the shielding characteristics are related to the grid structure of Faraday cage． In this paper， the Faraday cage is numerically modeled to calculate the lightning electromagnetic environment during the transmission of lightning current， and to evaluate the shielding characteristics of Faraday cage for the lightning electromagnetic field． The results show that : ( 1) Faraday cage with a larger grid has almost no shielding effect on the lightning electromagnetic field， but Faraday cage has a good dispersing effect on the lightning current， making the local current density smaller， resulting in the reduction of the spatial electromagnetic field; ( 2 ) If Faraday cage has shielding effect on lightning electromagnetic field， Faraday cage grid should be as close as possible， the best effect is to lay a lightning protective metal net in the non-metallic materials nacelle; ( 3 ) Through laying lightning metal mesh in the nacelle， the Faraday cage is effective for lightning electromagnetic field and other interference shielding， electromagnetic environment purification inside the nacelle， which reduces the internal electronic equipment indirect lightning protection grade， and effectively reduces the power supply system and signal system configuration of surge protection devices ( SPD) in nacelle． The results of numerical calculation in this paper provide important data and theoretical support for the research of lightning electromagnetic environment in wind-turbine nacelle． Key words: wind turbine; electromagnetic shielding; lightning electromagnetic field; Faraday cage; numerical calculation
杨奎滨1 段雁超2 余业祥1 付斌1 张春红1
1． 东方电气风电有限公司，四川 德阳 618000； 2． 西安爱邦电磁技术有限责任公司，西安 710000
摘要： 风电机组非金属材料的机舱罩壳一般会设置法拉第笼，起接闪导流和雷电电磁屏蔽的作用，而屏蔽特性与法拉第笼
（ a） 有法拉第笼 － 电场
（ b） 有法拉第笼 － 磁场
（ a） 标记点
（ c） 无法拉第笼 － 电场
（ b） 电场
（ d） 无法拉第笼 － 磁场 图 3 机舱罩内部雷电电磁场分布
（ c） 磁场 图 4 机舱罩内部雷电电磁场随时间变化
3 网格尺寸与雷电电磁屏蔽的关系 为了研究网格尺寸与雷电电磁屏蔽之间的关
63
系，对机舱的法拉第笼进行简化，如图 5 所示。图 5 中有 4 种法拉第笼，其长、宽、高均为 10 m、7 m、6 m，每个面上分别有 2 × 2、4 × 4、8 × 8、16 × 16 个网格。根据同样的计算仿真，对法拉第笼 进行仿真计算，计算结果见图 6、图 7 和图 8。
图 6 和图 7 可以看出，2 × 2 的法拉第笼对雷 电电磁场只有少许的阻碍，4 × 4 和 8 × 8 的法拉第 笼明显可以看出对雷电电磁场有一定的阻碍作用，
Faraday Cage for Wind-turbine Nacelle
YANG Kuibin1 ，DUAN Yanchao2 ，YU Yexiang1 ，FU Bin1 ，ZHANG Chunhong1
( 1． Dongfang Electric Wind Power Co.， Ltd，618000，Deyang，Sichuan，China; 2． Xi'an Airborne Electromagnetic Technology Co.， Ltd，710000，Xi'a罩壳上铺设雷电防护金属网； （ 3） 机舱罩壳通过铺设雷电金属网，形成的法拉第笼可以
有效地对雷电电磁场和其它干扰进行屏蔽，极大净化机舱内部的电磁环境，降低内部电子设备雷电间接防护等级，可有效
减少机舱内电源系统和信号系统浪涌保护器（ SPD） 的配置。本文数值计算结果为风电机组机舱的雷电电磁环境研究提供了
（ a） 有法拉第笼
（ b） 无法拉第笼 图 2 机舱罩雷电流传导模型
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2 法拉第笼屏蔽特性分析
根据图 2 分别计算两种模型，图 3、图 4 为仿 真计算结果。图 3 为 25 μs 时的雷电电磁场在避雷 针附近的切面图，图 4 为机舱内部某点的雷电电磁 场随时间变化。
图 3 可以看出，两种特征的机舱内部电磁场分 布有所不 同，因 为 结 构 不 同 使 其 电 流 分 布 不 同， 导致内部电场场分布也有所不同。从图 3 中还可以 看出网格较大的法拉第笼并没有明显的对雷电电 磁场进行有效阻隔，雷电电磁场仍然可以穿透到 机舱内部。因此粗糙的法拉第笼并不能对雷电电 磁场进行有效的屏蔽，但是法拉第笼对雷电流进 行了一定的分流（ 见图3 （ a） 法拉第笼电流分布） ， 导致能量分散，空间电磁场有一定的衰减。图 4 是 内部靠近边缘的某点的雷电电磁场随时间的变化 图，有法拉第笼的机舱机内电磁场峰值小于没有 安装法拉第笼的机舱。
i=
I k
× 1
（ t / T1 ） 10 + （ t / T1 ）
10
×
exp（
－ t / T2 ）
（ 1）
其中： I0 = 200 000 A； k = 0. 93； T1 = 19 μs； T2 = 485 μs
电流峰值为 200 kA ± 20 kA，上升时间为 19 μs （ 10% 峰值电流上升到 90% 峰值电流所需要的时间） ， 且电流衰减至 1% 峰值电流的总时间为 485 μs。波形 图如图 1 所示。
图 5 4 种简化的机舱法拉第笼
（ a） 2 × 2
（ a） 2 × 2
（ b） 4 × 4
（ b） 4 × 4
（ c） 8 × 8
（ c） 8 × 8
（ d） 16 × 16 图 6 法拉第笼内部雷电电场分布
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（ d） 16 × 16 图 7 法拉第笼内部雷电磁场分布
内部的场值数量级仍然比较大，16 × 16 法拉第笼内 部电磁场都有明显的阻碍，但是在边缘处仍然有 较大的电磁场 （ 103 量级） 存在。从以上的分析可 以看出网格尺寸大于 5 m × 3. 5 m 的法拉第笼对雷 电电磁场几乎没有屏蔽作用； 网格尺寸在 5 m × 3. 5 m 和 1. 25 m × 0. 86 m 之间的的法拉第笼对雷 电电磁场有一定的屏蔽作用； 小于 0. 63 m × 0. 44 m 的法拉第笼对内部雷电电磁场有较明显的屏蔽作 用，但是边缘处电磁场不能有效屏蔽。
61
网装机容量已达 1. 64 亿千瓦，占全部发电装机容 量的 9. 2% ，风电年发电量 3 057 亿千瓦时，占全 部发电量的 4. 8%［1］。由于风力发电机组安装于空 旷的地带，机 组 的 雷 电 防 护 安 全 尤 为 重 要。 风 电 机组机舱一般采用非金属材料，在机舱周围构成 一个法拉第笼结构，并合理确定法拉第笼中其他 导体的尺寸，以便能够承受它们所分流的雷电电 流［2］。非金属舱体外罩 （ 如玻璃钢外罩） 应增设 金属接闪网格，网格尺寸应不大于 5 m × 5 m，且 至少在机舱水平方向的四条棱角上布有金属网格 条。网格应能可靠接闪，承载所规定 LPL 的雷电 流，并能在一 定 程 度、 一 定 空 间 内 屏 蔽 雷 电 流 产 生的磁场、电场［3］。文献［4］通过公式计算了磁场 强度，在机组防雷设计时，可参考。
的网格结构相关。本文将法拉第笼进行数值建模，计算雷电流传导时的雷电电磁环境，评估法拉第笼对雷电电磁场的屏蔽
特性。分析结果表明： （ 1） 网格较大的法拉第笼对雷电电磁场几乎无屏蔽效果，但是法拉第笼对雷电流起到了良好的分散作
用，使其局部电流密度变小，导致空间电磁场减小； （ 2） 如果法拉第笼对雷电电磁场有屏蔽效果，则法拉第笼网格要尽可能
目前投 运 的 机 组 法 拉 第 笼 规 格 大 同 小 异， 基 本为大网格布置，法拉第笼对于机舱的雷电电磁 场的屏蔽效 果， 至 今 无 人 深 入 研 究 和 评 估。 本 文 通过数值建模分析，研究法拉第笼对于机舱的雷 电电磁场的屏蔽特性。
1 雷电传导建模
1. 1 电流波形 本仿真以 IEC 62305 中雷电标准波形为电流源
进行计算，表达式为：
图 1 雷电流波形
1. 2 数值建模 模拟雷 击 在 避 雷 针 后， 雷 电 流 经 机 舱 的 法 拉
第笼，建立模型如图 2 所示。图 2 中的机舱尺寸约 为长、宽、高约为 10. 4 m、7. 7 m、6. 3 m，机舱 罩为复合 材 料，法 拉 第 笼 和 引 下 线 为 铜 制 导 线。 图 2（ a） 法拉第笼的网格约为 5 m × 3 m，电流流经 法拉第笼接入底部平台。图 2 （ b） 没有法拉第笼， 避雷针的雷电流直接通过引下线接入底部平台。
风能作为一种清洁新能源，近 20 年得到了长 足的发展。截止 2017 年底，风力发电机组累计并
收稿日期： 2018 － 00 － 00 作者简介： 杨奎滨 （ 1983－ ） ，男，2012 年毕业于沈阳工业大学电气工程专业，硕士，工程师。现在东方电气风电有限公司研发部从事风力发
电机组电气系统、防雷接地系统方向工作。
重要的数据和理论支撑。
关键词： 风电机组； 电磁屏蔽； 雷电电磁场； 法拉第笼； 数值计算
中图分类号： TK83
文献标识码： A
文章编号： 1001－9006（ 2018） 04－0061－05
DOI:10.13661/ki.issn1001-9006.2018.04.014
Simulation Analysis of Lightning Shielding Characteristics of
Abstract: Faraday cage is usually installed in the non-metallic materials nacelle of wind-turbine， which plays the role of air-termination and down-conductor and lightning electromagnetic shielding，then the shielding characteristics are related to the grid structure of Faraday cage． In this paper， the Faraday cage is numerically modeled to calculate the lightning electromagnetic environment during the transmission of lightning current， and to evaluate the shielding characteristics of Faraday cage for the lightning electromagnetic field． The results show that : ( 1) Faraday cage with a larger grid has almost no shielding effect on the lightning electromagnetic field， but Faraday cage has a good dispersing effect on the lightning current， making the local current density smaller， resulting in the reduction of the spatial electromagnetic field; ( 2 ) If Faraday cage has shielding effect on lightning electromagnetic field， Faraday cage grid should be as close as possible， the best effect is to lay a lightning protective metal net in the non-metallic materials nacelle; ( 3 ) Through laying lightning metal mesh in the nacelle， the Faraday cage is effective for lightning electromagnetic field and other interference shielding， electromagnetic environment purification inside the nacelle， which reduces the internal electronic equipment indirect lightning protection grade， and effectively reduces the power supply system and signal system configuration of surge protection devices ( SPD) in nacelle． The results of numerical calculation in this paper provide important data and theoretical support for the research of lightning electromagnetic environment in wind-turbine nacelle． Key words: wind turbine; electromagnetic shielding; lightning electromagnetic field; Faraday cage; numerical calculation