考虑后续雷击的风电机组雷电暂态研究

兆瓦级风电机组由于其高耸的结构和特殊的地理位置,很容易遭受雷击。目前,就风电机组的雷电暂态分析而言,大多数研究工作仅针对于首次雷击暂态响应的计算,缺乏对后续雷击过程的考虑。为了开展更为全面的风电机组雷电暂态分析,建立机组的完整电路模型,推导从桨叶、塔筒、到接地装置的电路参数算法。运用该电路模型对机组进行雷电暂态计算,获得实际兆瓦级机组上的雷电暂态响应。以所获得的暂态电位响应为基础,进一步给出暂态电位幅值沿机组本体分布的曲线。另外,在首次和后续雷击两种情况下,分别对两条电位分布曲线进行分析,同时对此两种雷击条件下的雷电反击距离进行计算和对比。     

基于场路结合思想的风电机组接地网冲击特性研究

在雷击过程中,雷电流沿风电机组塔筒注入接地网,会引起接地网的地电位升高。为更好地研究雷击产生的暂态过电压对风电机组及其输变电设备产生的影响,采用场路结合的思想建立接地网暂态电路模型,对雷击引起的地电位升高进行系统仿真计算。计算结果表明:由于雷电流波头频率很高,与电阻相比接地体本身的电感效应非常明显,将引起接地网的地电位大幅度升高;暂态过电压将对地下传输、通信和控制电缆最外层绝缘造成破坏,严重时甚至会造成局部放电。     

风电机组多重雷击暂态过电压分析

为分析多重雷击对风电机组暂态过电压的影响,建立了包括风机叶片、塔筒、控制线缆以及变压器的风电机组的风电场等效模型。考虑控制线缆屏蔽层与塔筒以及线缆芯线之间的电磁感应作用,利用电磁暂态仿真软件ATP/EMTP对风电场模型进行计算,分析不同大小的接地电阻、不同接地方式对风电机组首次以及后续雷击暂态过电压的影响。结果表明,多重雷击在塔筒和屏蔽层产生的后续雷击过电压值随着测量位置的降低而降低,在塔基处小于首次雷击过电压值。接地方式对屏蔽层和线缆的雷击过电压影响较大,独立接地下两者的首次以及后续雷击过电压均小于公共接地的情况。公共接地下屏蔽层、塔筒、芯线的首次以及后续雷击过电压与接地电阻值成正比;独立接地下接地电阻对屏蔽层以及芯线的雷击过电压影响不大,而塔筒雷击过电压则随接地电阻增大而上升,塔基处10Ω的首次雷击过电压值约为1Ω时的3.9倍,后续雷击过电压值约为1Ω时的3.6倍。     

风电机组的雷击过电压分析

雷击是影响风力发电场运行安全的主要因素之一。在雷击过程中,雷电流流过机架和塔筒时会对其中的传感器件、通信线路甚至电力线路产生感应过电压,这些暂态过电压将对风电机组的正常运行造成影响。该文建立了相关的风电机组模型,对雷击引起的暂态过电压进行了计算分析。计算结果表明：塔筒与传输线间的过电压在传输线的上下两端达到最大;设置金属屏蔽层能有效地降低电容耦合过电压;屏蔽层还能使电压波动趋于平坦。     

风电机组内电子设备的雷电电磁干扰分析

为应对风电机组内电子设备所受雷电电磁干扰,提出了一种计算雷击情况下风力发电机组塔筒内电磁场分布的简化算法。该法将塔筒等效为一个耦合的电网络,雷电流视为注入此网络的电流源,通过求解电路方程得到塔筒上的暂态电流分布;在所计算的塔筒电流分布的基础上,根据麦克斯韦方程,先计算出塔内某一点处的矢量磁位,然后利用矢量磁位计算塔内空间的感应电场和磁场强度分布;将计算结果与文献中的近似有限差分法进行了比较,二者基本相符。不同因素对计算结果的影响,可为塔内电子系统的防雷设计提供依据。     

雷击风机时叶片和塔筒对接地装置冲击接地特性的影响

风机接地装置的冲击接地特性评估方法目前仍缺少指导规范。实际雷击中雷电流在经过叶片和塔筒时会在其中形成波过程,对接地装置的冲击接地电阻和地电位升(GPR)产生影响。为此,通过矩量法和Fouier变换的仿真计算,探讨了在不同叶片和塔筒总高度、不同土壤电阻率、不同接地装置尺寸和不同雷电流波形的情况下,在风机遭遇雷电流时叶片和塔筒对接地装置冲击接地特性的影响,并运用波过程理论对影响机理进行了分析。通过计算可以发现,由于在风机遭遇雷电流时叶片和塔筒中雷电流波会发生折反射,所以实际地电位升会出现振荡,从而会对接地装置的冲击接地电阻产生影响。     

风电机组雷电过电压的仿真分析

雷击会对风电机组造成严重损坏,是影响风场安全运行的主要因素。在雷击过程中,雷电流流经塔体,并通过电磁场的耦合作用,在塔体内部三相电缆和机组变压器上产生雷电过电压,影响内部设备的正常运行。通过电磁暂态软件PSCAD搭建了比较全面的风电机组模型,对风电机组的暂态过电压进行计算分析,并研究了不同大小的接地电阻以及不同接地方式对风电机组过电压分布的影响。计算结果表明良好的接地系统有利于降低电缆上的过电压,但不能改变塔体上过电压的最大值,而接地方式的不同对过电压影响巨大,两种接地方式各有优劣。最后为风电机组加入避雷器,验证了防雷设计的有效性,仿真结果为风电机组的安全、经济的防雷设计提供了参考依据。     

海上风机塔筒的非均匀传输线模型

风机塔筒的建模是海上风电机组防雷保护研究的重要组成部分,其模型的建立对分析结果有重要影响。首先分析塔筒多波阻抗模型在海上风机防雷研究中的不适用性;其次建立塔筒的非均匀传输线模型;然后,利用多波阻抗模型研究塔筒空间结构变化对自身电磁暂态特性的影响。研究结果表明：塔筒分段越多,其电磁暂态响应越准确。通过对采用非均匀传输线模型和采用多波阻抗模型的塔筒雷电暂态响应进行对比,证明了非均匀传输线模型更符合实际情况,从而给出了塔筒的推荐分段数。     

关于风电机组防雷接地设计易被忽视的问题探讨

对单个风电机组防雷接地网扁钢引上线引出几处与塔筒连接相关规范未有明确规定,风电机组风叶片遭雷击其雷电流经塔筒入地瞬间,如遇人畜近处经过可能出现的危险跨步电压易被设计者忽视,为了尽可能避免跨步电压伤害人畜,通过分析计算跨步电压危险量值,提出宜根据单个风电机组塔筒周围表层土壤电阻率计算跨步电压量值,以确定防雷接地网扁钢引上线与塔筒电气连接的具体数目。     

雷击引起风电场的地电位升高问题

雷击是影响风力发电场运行安全的主要因素之一。在雷击过程中 ,雷电流沿塔筒注入风电场接地网 ,将会引起接地网的地电位升高。这些暂态过电压将对风力发电机组及其输变电设备的正常运行造成影响。通过建立相关的风电场接地网模型 ,对雷击暂态过电压进行了计算分析     

基于 AnsoftMaxwell的风机塔筒雷电电磁环境分析

雷电击中风电机组后,强大的雷电流沿着塔筒流入大地,在塔筒内部产生电磁脉冲,对塔筒内部的电子器件造成强烈的电磁干扰;另外,感应过电压和过电流会入侵塔内的电子设备,影响风电机组的安全稳定运行.为了研究风电机组塔筒的雷电电磁环境,采用有限元分析软件 AnsoftMaxwell建立塔筒模型,得到塔筒周围的磁场分布,然后根据分析结果,提出相应防雷保护设计.仿真结果表明,采用 AnsoftMaxwell得到的塔筒雷电电磁环境可为防雷设计提供一定的理论依据。     

基于Ansoft Maxwell的风机塔筒雷电电磁环境分析

雷电击中风电机组后,强大的雷电流沿着塔筒流入大地,在塔筒内部产生电磁脉冲,对塔筒内部的电子器件造成强烈的电磁干扰;另外,感应过电压和过电流会入侵塔内的电子设备,影响风电机组的安全稳定运行。为了研究风电机组塔筒的雷电电磁环境,采用有限元分析软件Ansoft Maxwell建立塔筒模型,得到塔筒周围的磁场分布,然后根据分析结果,提出相应防雷保护设计。仿真结果表明,采用Ansoft Maxwell得到的塔筒雷电电磁环境可为防雷设计提供一定的理论依据。     

风电场架空集电系统雷电暂态过电压分析

针对风电场集电系统箱变在雷害事故中大量损坏的现状,对雷击风电场架空集电线路引起的暂态过电压进行了计算。运用ATP/EMTP电磁暂态仿真软件建立了包括风电机组、集电线路和箱变的等效模型,考虑了雷击方式、雷电流波形、风力机接地电阻以及风电机组拓扑结构对箱变两侧暂态过电压的影响。研究结果表明:箱变低压侧的暂态过电压与波头时间成反比关系,波头时间为1.2μs时箱变低压侧的暂态过电压是20μs时的8.75倍,箱变高压侧的暂态过电压几乎不受波头时间的影响;接地电阻越大,箱变两侧的暂态过电压越大;风电机组架空集电线路遭受雷击时,环形拓扑的可靠性最高,环形拓扑联合为风电机组的最优联合方式。     

风机回击电磁场波形特征及辐射增强效应研究

雷电对风电机组安全运行造成严重威胁。基于雷电回击工程模型,结合偶极子辐射理论,建立了风机回击电磁场计算模型,仿真分析了风机回击电磁场波形特征及电场强度变化规律。相比平地雷击,风机雷击的回击电磁场波形明显不同:存在明显的初始尖峰,且达到初始峰值后迅速衰减,波形存在震荡。目前雷电定位系统不能正确识别此类波形,将高估回击电流峰值,以50 km处垂直电场为例,预计雷电定位系统反演的回击电流可能为实际的3倍以上。计算不同距离处的静电场、感应场和辐射场分量后,发现电场增强的原因在于辐射场分量的明显增强;对电场增强效应的细致分析表明此效应对回击工程模型不敏感,说明辐射增强主要是由于回击电流波在风机本体上传播和反射叠加导致的;电磁场增强效应随观察点距离增加逐渐增强并趋于稳定,在目前我国风机普遍100～200 m高度情况下,电磁场增强可能达到3倍。此研究结论对指导风电机组的雷击防护,提升风电场区域地闪监测水平具有重要参考价值。     

双接闪器叶片风电机组缩比模型雷击附着特性

风电机组叶片的雷击损害近年来频繁发生,叶片双接闪器布置是常见的风电机组雷电保护方式。针对2MW、40m双接闪器叶片风电机组,采用1.2/50μs冲击电压波形、1:100缩比比例开展缩比模型雷击附着试验,设计针对风电机组的缩比模型附着性能试验方法,研究雷电先导位置、叶片旋转角度对附着位置及接闪概率的影响。结果表明,高度较高、风机正上方的雷电先导更容易附着在叶片叶尖接闪器上,高度较低、位于风机侧方的雷电先导可能附着在叶片中部接闪器、机舱和避雷针,甚至叶片绝缘部分。风机叶片旋转角度对风机各组件的雷击附着率存在一定影响,叶片垂直向上时接闪器保护效率最高,叶片水平时保护效率最低。试验结果对理解风机雷击附着特性及其损坏具有指导意义。     

雷击海上风电机组对其弱电系统影响分析

以海上SCD(超紧凑)3.0MW风力机组为原型,借助ATP/EMTP电磁暂态仿真软件建立该风力机组雷击暂态模型。并结合该暂态模型计算分析电缆屏蔽层、雷电波形及海上平台接地电阻对于风机内弱电设备雷电浪涌过电压的影响。结果显示:为保证风力机组内部弱电设备的安全,沿塔筒布置的电缆应采用屏蔽电缆,且两端均应做到有效接地;同时还应加装配套的保护措施,如加装浪涌保护器等;雷电流波形对于电缆感应过电压影响很大,因此仿真分析时应根据研究所需选取合适的雷电流波形;海上风机的接地电阻较小,接地电阻的变化对于弱电系统的雷电浪涌过电压的影响也较小,因此无需再采取降阻措施。仿真结果可为海上风力机组弱电系统的雷电防护提供参考。     

风电场电缆集电系统雷电暂态数值计算

针对风电场集电系统升压变压器和避雷器在雷害事故中大量损坏现状,在雷害事故现场调查的基础上,对风电场电缆集电系统雷电暂态过电压及电流分布进行了数值计算。建立了单台机组模型和多台机组模型,考虑了风电机组数量、雷电流幅值、机组冲击接地电阻等各种因素对雷电暂态过电压和雷电流分布影响。结果表明:避雷器标称放电电流偏小是雷击损坏主要原因,多次回击电流将导致避雷器以及与其并联连接的升压变压器损坏。对于35 kV风电场电缆集电系统,如果风电机组冲击接地电阻很难降低,提高避雷器标称放电电流可以有效解决电缆集电系统雷电暂态过电压和避雷器保护问题。根据计算结果提出了避雷器标称放电电流推荐值,当雷电流幅值50 k A时,标称放电电流5 k A的避雷器可满足要求;当雷电流幅值≥100 k A时,则需要相应提高避雷器标称放电电流。对风电场电缆集电系统,在接线工艺规范的前提下,升压变压器高压侧安装1组避雷器可以满足过电压保护和绝缘配合要求。     

海上风机一体化电磁暂态模型与雷电暂态过电压研究

为了减小雷击海上风机引发暂态过电压的故障率,需要准确地分析海上风机暂态过电压的影响因素及响应规律。结合海洋接地环境及风机桨叶转动特性,利用电磁场数值计算的方法,建立了一种新型的海上风机一体化电磁暂态模型;利用ATP-EMTP对海上风机进行仿真分析,研究了海水深度、桨叶长度和塔筒高度、雷电流参数、雷击点和桨叶位置对机舱处雷电暂态过电压的影响,并利用波过程理论分析其原因。仿真结果表明,由于雷电流在风机上存在折反射现象,使得机舱处暂态电压存在明显振荡特性;所提影响因素会对暂态电压的峰值和振荡频率产生不同程度的影响。     

雷击风力发电机塔筒的电磁干扰分析

为了研究风电机组内电子设备所受到的雷电电磁干扰,采用有限元数值分析软件（ANSYS）对风力发电机的塔筒进行建模,通过对雷击塔筒时产生的电场和磁场进行计算,得到整个风力发电机塔筒部分的电磁场分布规律及各处所产生的磁感应强度;在该计算的基础上,根据法拉第电磁感应方程计算出塔内空间任意回路中的感应电动势,找到了影响其大小的因素,并提出了相应的防护措施。经过分析得到的结论是：雷击塔筒顶部时塔顶和塔底产生的磁场较大;塔筒内空间所产生的磁场强度是由中心向塔筒壁不断增大;塔筒内部空间的导体回路所感应出的电动势大小由距干扰源距离和回路面积决定,其中,面积因素起主导作用。因此,可为塔内电子系统的防雷设计提供依据。     

风电机组整机防雷系统的动态仿真分析

本文从风电机组整机雷电防护的角度,运用多物理场专业仿真软件,对雷电进行动态接闪仿真,分析了叶片转动到不同角度时的雷电附着情况,计算了叶片不同位置雷击概率,并分析了叶轮对机组周围基础设施的雷电防护能力,对设计防雷系统设计具有指导意义。