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。     

基于一体波阻抗模型的风电机组雷电过电压分析*

雷电暂态过电压是影响风电机组安全稳定运行的重要因素之一。基于风电机组雷击下的一体波阻抗模型,探讨了信号电缆屏蔽层、土壤电阻率和雷电流波形对过电压水平的影响,并开展了过电压抑制措施的研究。结果表明:信号电缆采用双屏蔽层及风电机组接地系统良好的接地能更好地降低过电压;信号电缆两端更容易发生击穿;雷电流幅值和波前时间对信号电缆的过电压影响较大;信号电缆顶端安装SPD(浪涌保护器)可有效抑制其过电压。     

风电机组的雷击机理与防雷技术

随着风电机组单机容量和风电场规模的增大，风电场的安全运行问题日益受到重视。在影响风电场安全运行的诸多因素中，遭受雷击是一个重要方面。本文结合风电机组防雷的研究成果，对风电机组的雷击过程、雷击损坏机理以及防雷措施进行了较全面的阐述。     

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。     

玉门风电机组雷电致灾机理与接地探讨

雷击是影响风电机组乃至整个风电系统安全运行的主要因素之一,风电机组的防雷技术研究,对保护风电系统的安全运行具有重要意义。针对玉门地区的气候环境条件与高土壤电阻率特点,结合实际施工经验,对风力发电机组的雷击致灾机理、防护措施、接地方案设计与施工进行了全面的阐述。最后得出:(1)风电机组的雷击致灾机理主要与峰值电流I_m、转移电荷Q、雷电流波头陡度di/dt等参数密切相关;(2)风电机组的雷电防护首先应对防雷区(LPZ)进行划分,并加强控制与信息系统的过电压防护;(3)给出了高土壤电阻率地区电解离子接地极接地电阻的计算方法。同时接地设计与施工应充分考虑地网的稳定性与持久性。     

接地电阻对风机桨叶引雷能力影响模拟试验

为研究风电机组桨叶的引雷能力与风电机组接地电阻大小关系,采用标准操作波和雷电波分别对按照1:100比例缩小的两桨叶和三桨叶风机模型进行大量的放电试验。结果表明,风机桨叶的引雷能力和接地电阻的大小呈负相关关系,接地电阻越小,相关性越强。该试验结果表明风电机组接地性能对防雷措施有影响,能够定性地证明,提高风机的接地性能有助于改善风机叶片防雷措施的防雷效果。试验结论为海上风电机组接地方案和防雷方案的模拟试验设计提供了参考。     

电涌保护器(SPD)后备保护电器选用的讨论

本文作者对SPD的后备保护电器（断路器和熔断器）进行了难得的试验并进行了分析,可供参考。各种SPD（包括开关型和限压型）配用何种后备保护电器,各SPD制造厂在经过试验的可靠基础上,可提出建议。这是IEC标准61643—12：2002的意见,也是SPD用户的要求。     

风电机组的防雷问题

针对随着风电机组单机容量和风电场规模的增大，雷击对风电场的安全运行的危害日益突出的问题，根据行业标准，划分了风电机组的防雷区；介绍了风电机组中各部件的雷电防护措施；给出了风电机组接地系统的设计方法。     

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。     

高寒地区风电机组雷电防护研究综述

我国蒙东、东北等高寒地区,风能资源储备丰富,风力发电建设已呈现规模化态势。近年来,雷电灾害已成为威胁风电机组安全运行的主要因素,并长期制约风电产业的正常发展。由于高寒地区具有较为显著的地理与环境特征,电力设备防雷保护的标准及措施与其他地区有较大差异,因此需对高寒地区风电机组雷电防护予以高度关注。综合高寒地区风电机组特点、地理环境以及雷电情况等因素,对高寒地区风电机组雷击特点进行概述,针对高寒地区风电机组雷电防护系统、雷电先导起始及发展机理、雷电直击损坏机理以及雷击电磁暂态过程四个部分的研究现状进行分析与总结,并结合尚待解决的问题,提出高寒地区风机防雷的若干研究领域。     

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。     

大型风电场雷击防护研究面临的关键问题

从风电场雷击现场观测与长间隙放电实验模拟、叶片雷击接闪放电、风电机组雷击风险评估与防雷系统优化设计、叶片雷击损伤机制、雷击电磁暂态与防护、叶片防雷系统测试方法、海洋环境风机防雷新问题等方面,对风电场雷击防护技术领域的国内外研究现状进行了总结。梳理出5个亟待解决的问题:风机旋转对叶片附近空间电荷的影响;叶片接闪的极性效应与负极性上行先导物理模型;多先导起始竞争机制及风机群屏蔽效应;雷击桨叶损伤机制与冲击爆裂动力学建模;风电机组雷击风险评估方法。对这些问题的有效解决将从理论基础、设计原则、评估测试体系等多个层面,提升对风电场雷击现象的认知水平,指导风机桨叶和防雷系统的优化设计。     

基于ATP-EMTP的风电机组塔筒二次雷电回击暂态分析

针对风电机组在雷击事故中严重损坏的现状，对二次雷电回击引起的暂态电位变化进行了分析研究。文中通过搭建叶片、机舱、等效圆锥体塔筒与接地系统的等效模型，考虑塔筒内部电缆与塔筒之间的耦合互感等问题，并结合某风电公司所提供数据与相关等效参数公式，搭建出π型叶片与接地体、“十段式”塔筒等效电路，后续利用电磁暂态软件ATP-EMTP计算分析塔筒在两种雷击情况下的暂态电位变化。结果表明：两种雷击均会使风电机组产生兆伏级电位变化；塔底处暂态电位变化在两种雷击情况下差别最大；二次雷电回击下塔顶暂态电位将在0.200μs时达到峰值3.856 MV，故二次雷电回击严重威胁风电机组塔筒内部结构与电子器件的正常运行，不容忽视。     

风电机组雷击损伤分析与防护

随着风电建设的迅猛发展,单台风机设备更加大型化,雷击对风电机组的安全运行和经济效益影响也日益突出。实地调研分析国内某运行风场风机各个部件和系统遭雷击损害情况历史数据,研究分析风电机组雷击损害机理,结合实际生产运行提出防雷的有效应对措施,对风电场的生产运行及风机设备的生产有一定的借鉴意义。     

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。     

风力发电机叶片雷击接闪特性研究综述

风力发电已成为全球领域推荐能源转型的核心技术和应对气候变化的重要途径。雷击是造成风力发电机损坏的主要原因之一。由于风电机结构和机组位置的特殊性,其雷击特性和防护措施与普通雷击目标物具有明显差异。该文对近年来风电场雷击自然观测、雷击风机模拟试验、雷击风机接闪过程数值计算以及接闪失效和系统优化设计等方面的研究前沿进展进行了总结和分析。主要结论为:1)由于风机尺寸越来越大,风力发电机雷击风险与上行先导关系更紧密,不同极性的雷电引发风机上行先导能力存在差异,进而影响到风机的接闪特性。2)由于风机长时间处于旋转状态,叶片旋转会影响风力发电机的引雷能力和接闪位置,但目前研究对旋转影响风机接闪放电过程机理的阐释仍未完善。3)风机数量、安装位置、外部环境等对风电机组雷击风险有较大影响,风电机组群多先导相互竞争的接闪机制以及雷击风险评估方法还有待深入研究。4)目前叶片接闪系统设计简单,设计未能充分考虑风力发电机实际接闪过程和雷击机理,接闪系统的科学性有待进一步论证。     

风电机组电磁暂态建模及验证

风电机组暂态响应特性对新能源基地及近区电网的安全稳定运行影响很大,建立准确的风电机组模型对新能源并网具有重要意义。现有风电机组模型大多采用典型模型,与风电机组实际响应特性有一定差距,不能满足电力系统仿真需求。提出“现场试验—控制硬件在环（control hardware in the loop, CHIL）—动态链接库（dynamic link library, DLL）建模”的风电机组电磁暂态建模方案。构建基于现场可编程门阵列(FPGA)的CHIL仿真平台,并以风电机组暂态特性现场试验为基准,验证CHIL建模的准确性。提出以DLL为核心的“去控制器”数字建模方法,将风电机组的源控制代码封装后接入数字模型,实现风电机组电磁暂态建模,并以CHIL为基准进行校验。通过上述两级时域一致性验证,证明了所提建模方案的可行性和准确性。     

风电机组箱式变压器低压侧雷电过电压仿真

针对某高山风电场风机塔顶遭受雷击,造成风电机组塔外箱式变压器（简称箱变）损坏事故,分析了箱变低压侧雷电过电压产生的机理,根据风机-箱变系统防雷配置情况,建立了ATP-EMTP仿真模型。利用该模型计算了电涌保护器（surge protective device,SPD）接入时和脱开后箱变低压侧的电压,并分析了雷电流波形、幅值及接地网冲击接地电阻对箱变低压侧电压的影响,同时计算了低压侧短路后的工频续流。计算结果表明,SPD脱开后低压侧电压超过了箱变的冲击耐压值（12 kV）,低压侧工频续流为4.50～8.75 kA。由于开关型SPD无法切断工频续流,提出将其更换为无续流的氧化锌避雷器,推荐避雷器型号为YH10W-0.8/3.0,并通过仿真计算进行了防雷效果验证。     

电网故障下并网异步风电机组的暂态特性分析

研究了由笼型和双馈型异步风电机组组成的风电场并网后风电机组的暂态行为,并对比分析了在同一接入点接入不同比例容量的笼型异步发电机和双馈异步发电机时,外部三相短路故障对风力发电机组电压和转速的影响。提出了在双馈型风电机组中采用一种PI控制器,以提高风电场的稳定运行能力的方案。仿真结果表明,故障清除后,能有效地提高风电机组的稳定运行能力。该试验结果可为风电场的建设提供参考。