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。     

叶片转动对风机引雷能力影响的模拟试验研究

风力发电机组与其它地面雷击目标物相比,最显著的特征是其叶片在遭受雷击时一般处于转动状态。为了研究叶片转动对风机引雷能力的影响机理,该文设计选取了适用于研究风机接闪试验的圆弧形高压电极,施加负极性250/2500μs标准操作波,对典型2MW风机的1:30微缩模型进行了叶片静止和旋转等不同状态下的接闪放电比对试验。采用升降法获取50%放电电压,并进行放电过程观测,结果表明:在1和1.3m间隙条件下,击穿电压随着叶片转速的提升而提升,先导连接位置随着转速的提升更加接近叶尖,叶片转动导致风机的引雷能力降低。分析认为叶片的旋转改变了叶尖区域的电荷分布,使叶尖上行先导发展不充分,从而影响了放电发展过程。所得结果可为风电机组的防雷保护提供参考借鉴。     

基于雷电上行先导起始物理机制的风机叶片雷击概率评估模型

风机叶片雷击损伤事故严重威胁风电场正常运行,传统分析方法无法给出叶片表面任意点雷击概率,现有叶片防雷系统设计尚无成熟理论作为指导。该文基于上行先导起始物理机制,提出了风机叶片表面任意位置雷击概率计算方法,建立了风机叶片雷击概率评估模型。考虑不同叶片姿态、下行先导侧面距离、接闪器布置方式等因素,分析了1.5MW典型风机在不同工况下雷击概率分布,并与试验结果相对照,验证了模型的有效性。结果表明:接闪器保护范围随叶片角度变化而变化,呈现不对称的特点,雷电下行先导侧面距离对接闪器保护范围的影响具有方向性,叶尖接闪器的防护效果优于叶身接闪器。该评估模型可为叶片防雷系统优化设计提供理论分析工具。     

雷电下转动风机叶片接闪特性模拟试验研究

风力发电机在遭受雷击时叶片一般处于转动状态,而叶片转动对其雷击接闪特性的影响尚不明确。为探究转动风机的叶片雷击接闪特性,设计了可控转速的1:30缩比2 MW风机模型与适合试验的弧面电极,采用标准负极性操作波,制作了2种类型的叶尖接闪器,开展了1 m间隙时不同转速下的大量接闪试验。试验结果表明,在1 m间隙下,无论叶尖是接闪帽还是接闪盘配置,间隙击穿电压均随着转速的提升而升高,而风机静止时击穿电压会随接闪叶片角度增大而升高。分析认为,叶片旋转会导致叶尖区域积聚的正离子浓度降低,抑制了上行先导的发展,从而提升了击穿电压。根据试验结果推断,在此工况下风机旋转会降低其引雷能力。试验结果对风机的防雷设计具有参考意义。     

接闪器对旋转风机引雷能力影响的试验研究

为研究接闪器对旋转风机引雷能力的影响机理,设计了典型2 MW容量风机的1:30微缩模型,考虑了叶尖部分2种典型接闪器类型,利用波形参数为-250/2 500μs的负极性操作冲击波开展了旋转风机模型的接闪放电试验。试验采用升降法获取了各工况条件下的50%放电电压,并进行了放电过程观测。试验结果表明:在长度为1 m的间隙条件下,间隙的击穿电压随着叶片转速的升高而提升,最多提升4.07%;同时,随着接闪器曲率半径的增大,间隙击穿电压降低,迎面流注的连接位置更加接近高压电极,风机的引雷能力也增强,叶片转动对风机引雷能力的影响程度减小。分析认为,接闪器的曲率半径和叶片的转动改变了叶尖区域的电荷分布,对叶尖接闪器流注的产生和发展产生影响,从而改变了风机的引雷能力。试验结果为风电机组的接闪器设计提供了参考借鉴。     

风机叶片雷击附着区域数值仿真及防护

风机叶片的雷电防护是风机安全运行的一个重要因素。为了研究风机叶片的雷击附着规律,通过对"云-地"线状雷电先导发展机理的分析,提出了一种基于静电场仿真分析的方法来确定雷击初始附着区域。建立了风机叶片以及下行先导的全尺寸模型,采取有限元法,运用3维电磁场仿真软件分析了雷电先导在风机叶片上的附着特点,优化了接闪器的布置方式,进而分析了叶片接闪器数量、大小对拦截效果的影响,并得出了叶片旋转过程中不同角度的雷击概率特点。研究结果表明:风机叶片叶尖位置雷击概率较高,接闪器布置应尽量靠近叶尖;当单个接闪器横截面积符合IEC 61400-24:2010标准规定的最小值50 mm2时,拦截效果最佳;增大接闪器横截面积及增加接闪器数量对于提高接闪器的拦截效果有限;叶片旋转角α小于45°时,易遭遇雷击,随着叶片旋转角增大,雷击概率逐渐降低,当α等于60°时,雷击概率降至最低。该研究结果可为进一步研究风机遭遇雷电时的电磁辐射特性提供依据。     

风力发电机接闪系统失效风险定量评估方法研究

雷害问题严重影响风机的正常运行,但针对风机接闪系统的失效风险,目前鲜有定量的分析和评估方法。基于先导发展物理模型,提出风机接闪系统雷击屏蔽失效率的定义和计算方法,并通过叶片雷击模拟实验验证了方法的有效性。比较分析了不同接闪系统型式叶片的雷击屏蔽失效率,并考虑了风机旋转角度和海洋盐雾附着对雷击屏蔽失效率的影响。分析表明,相比于接闪器–引下线结构型式和叶尖包覆铜网型式,采用主梁包覆铜网型式的叶片雷击屏蔽失效率最小,但综合考虑经济性和易维护性,推荐采用叶尖包覆铜网的接闪系统型式。提出的定量分析方法可为风机叶片接闪系统的优化设计和失效风险评估提供依据。     

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。     

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。     

考虑空间电荷分布的旋转风机叶尖电晕放电特性

雷击灾害严重威胁风电机组的稳定运行，目前尚缺乏针对旋转风机叶尖电晕特性的研究。为此，搭建了缩比旋转风机叶尖电晕观测实验平台，开展了风机叶尖的电晕模拟实验，分析了正负雷电极性下旋转叶尖的电晕平均电流、放电重复率以及占空比等电晕特征量，获得了正、负雷电极性下旋转风机的叶尖电晕放电特性；同时，建立了叶尖电晕的流体-等离子体化学混合的数值模型，从微观角度研究了不同极性叶尖电晕演化的差异。分析结果表明：与静止风机的电晕随机脉冲模式相比，旋转风机的叶尖电晕呈周期性间隔放电簇模式，且随着转速增加，电晕放电电流和重复率呈上升趋势；风机叶尖的正负电晕具有明显的极性效应，对叶尖正负电晕放电图谱进行分析发现，相较于正电晕呈分离特征明显的间隔放电簇模式，负电晕呈间隔的放电簇与连续的微弱放电叠加的模式。所得结论可以为旋转风机雷击防护技术提供理论依据。     

基于雷电物理的风机叶片动态击距与电气几何模型

风机叶片遭受雷击现已成为风电场亟需解决的问题之一。该文将电气几何方法与雷电先导发展的物理过程相结合,提出了针对风机叶片的电气几何分析模型。通过引入风机叶片动态击距的概念及分析方法,模拟了雷电先导的发展过程,使得击距的物理意义更加清晰,并进一步推导了叶片防雷系统效率的计算方法,最后基于风机叶片长间隙下击穿实验验证了该模型的有效性。利用提出的风机叶片电气几何模型,分析了叶片角度、雷电流幅值和接闪器布置对防雷系统效率的影响,分析发现叶片越接近水平、雷电流幅值越小叶片防雷系统效率越低,增设叶片侧接闪器能够有效提高防雷系统效率。该文提出的方法拟为风机叶片的防雷设计与评估提供理论依据。     

雷击碳纤维叶片的表面场强分布与附着特性研究北大核心CSCD

风电场中使用碳纤维叶片的风机正在逐年增多,为了研究碳纤维应用在风机叶片时的雷击附着特性,文中建立了碳纤维和玻/碳纤维混合风机叶片的三维电磁场仿真模型,基于有限积分法和理想边界拟合技术,通过计算不同材料叶片表面场强分布,分析了下行先导位置和叶片材料影响雷击附着特性的原因,研判了接闪器对碳纤维叶片的保护能力。研究结果表明:全碳纤维叶片表面场强分布特性与玻璃纤维叶片相似,但更早且更易产生上行先导;玻/碳纤维混合叶片表面场强分布受材料特性影响呈明显的差异化分布,碳纤维部分较玻璃纤维部分更易受雷击;下行先导的位置对叶片表面场强分布的影响与材料特性相关;雷击附着特性分析显示传统叶片接闪器对碳纤维叶片的保护能力有限。     

大型风机叶片雷击多通道电弧气爆损伤的实验

风机叶片雷击事故多发,而雷击下桨叶机械损伤机理的研究很少。通过调研风电场雷击数据和实验模拟,获得雷击位置分布规律,结合桨叶材料损伤得到雷击电弧多通道路径。采用极细镍铬丝铺设电弧路径,对5m长风机叶片开展大电流注入实验,发现引下线在两腹板之间,会减小后缘开裂长度,但将对后缘腹板及两腹板之间区域造成巨大损伤;引下线在后缘腹板外侧,可将损伤控制在后缘腹板之外。引弧孔距叶尖较远时,损伤以引弧孔为中心向两侧等距延伸;引弧孔距叶尖越近,叶尖方向的损伤越严重,直至危及叶尖接闪器。高速相机拍摄的动态过程表明,叶尖方向的损伤主要缘于电弧气流的多次回流冲击。研究成果可帮助揭示叶片动态损伤机制,指导其防雷设计。     

雷击风机叶片的跃变击距特性与定量表征

风机叶片对雷电的接闪是风机防雷研究中的关键内容,合理分析接闪时的击距特性意义重大。基于雷击过程的物理机制,将雷击发生时上、下行先导头部间的距离定义为跃变击距,并分析了多上行先导竞争对风机接闪和跃变击距的影响。基于先导起始和发展理论,根据下行先导的等效模型和稳定上行先导的判定方法建立了风机叶片接闪模型,利用该模型得到了随雷电流幅值变化的跃变击距公式,指出侧面距离等参数对跃变击距没有影响,实验和观测结果证明了模型的正确性。最后利用接闪模型提出了考虑稳定上行先导对周围电场畸变作用的对地击距公式,与其他学者计算的结果进行对比指出,现有对地击距公式或不适用于风机背景的防雷计算。     

风力发电机叶片叶尖段外覆导体接闪系统的雷击防护性能研究

风力发电机叶片的雷击防护问题一直是风电系统安全运行关注的焦点。随着风电机组单机容量的增加,塔筒的高度、叶片的长度也随之增长,叶片接闪系统的雷击防护失效问题愈加严重。为了解决GFRP叶片复合材料的雷击击穿问题,提出一种在叶片前缘/尾缘外覆条形导体的接闪系统设计方案,可降低叶片内部接地引线表面电场强度,减小接地引线产生放电并引起叶片外部放电接闪的概率。建立风力发电机三维雷击先导发展模型,计算分析不同外覆导体长度、不同运行工况条件下叶片接闪系统的防护效果,结合现场运行数据,确定外覆导体的最优设计长度为叶片总长度的12%,此时可减少92%的雷击事故。开展雷电/操作冲击下模拟叶片放电击穿试验,对比敷设和不敷设外覆导体时叶片的放电击穿概率,结果表明叶片前缘/尾缘外覆的条形导体对其敷设范围内的下行先导可全部有效接闪,防止叶片击穿,而对其敷设范围以外的下行先导外覆导体的防护效果大幅下降,验证了外覆导体接闪系统防护的有效性和局限性。     

雷击电弧气爆效应对风机的损伤机制与叶片优化设计

风机叶片雷击灾害事故频发,而雷击电弧对叶片气爆损伤机制尚不清晰,传统实验手段难以测量损伤过程中的细节参数。因此,以实际风机叶片为基础,搭建雷击电弧路径几何模型。基于磁流体动力学理论,利用有限元仿真软件COMSOL分别探究温度和压力在叶片内部的分布情况。进一步,对比不同引弧方式和雷击点位置对叶片材料碳化程度和后缘压力最大值的影响作用。发现叶片在遭受雷击后,雷击点的温度先迅速升高至最大值,然后缓慢降低,高温区域主要分布在雷击电弧周围。叶片后缘的压力先增加至峰值,然后呈现震荡衰减趋势。高压力区域先分布在右侧腹板与后缘之间,后逐渐向整个叶腔内扩散。叶片材料碳化程度和后缘压力最大值与已有文献的实验结果较为吻合,验证了仿真模型的正确性。当雷击点靠近叶尖时,叶片材料碳化程度和后缘压力最大值呈现上升趋势,当引下线布置于主梁时,上述两者均低于引下线布置于右侧腹板的情况。最后,从防雷角度出发,建议将引下线布置于主梁,同时使用环氧树脂将叶片后缘粘接处浇铸成半径为30mm的圆角。     

避雷针端部曲率半径对雷击接闪效能的影响

通常认为避雷针端部曲率半径越小,端部附近电场越强,雷击接闪效能越强;一些学者认为不同高度避雷针端部曲率半径对接闪效能的影响不同;还有学者则认为曲率半径对接闪效能没有影响。因此,研究避雷针端部曲率半径是否影响其雷击接闪效能对新型避雷针的设计研发和工程应用具有指导意义。论文开展了针–板间隙下不同曲率半径避雷针流注放电与先导放电模拟实验,结合实验室针–板间隙和避雷针–雷云超长间隙放电的空间电场计算,对曲率半径是否影响避雷针迎面流注和迎面先导接闪效能进行了分析。结果表明,不同曲率半径下避雷针流注放电起始时刻差异<0.22μs,发展速度差异<5%;当曲率半径小于临界半径时,避雷针连续稳定先导起始时刻差异<1.27μs,发展速度差异小于5%;自然雷电环境下,避雷针端部曲率半径的变化仅对端部附近区域电场产生影响。研究表明,避雷针端部曲率半径对其雷击接闪效能几乎不产生影响。     

基于雷电物理学的多风机雷电屏蔽研究及风电场防雷布置

近年来,雷电灾害对风电场内大容量风电机组的破坏日趋严重。为降低风电场雷击事故的概率,提出一种新型多风机电气几何模型,该模型从雷电先导发展的物理模型出发,考虑叶片周围带电粒子的影响,计算叶片接闪器的击距范围。与传统电气几何模型相结合,给出多风机间雷电屏蔽的关系与判据。利用该模型对规模化风电场各风机间的雷电屏蔽距离进行研究,分析环境因素(温度、大气压强、空气湿度和海拔)对风电场雷电屏蔽的影响。计算表明,相对空气密度越大、海拔越低,风机之间的雷电可屏蔽距离越大。最后,计算1.5MW规模化风电场的行列布置间距。所提方法拟为不同环境下风电场的防雷布置提供理论依据。     

雷击碳纤维叶片的表面场强分布与附着特性研究

风电场中使用碳纤维叶片的风机正在逐年增多,为了研究碳纤维应用在风机叶片时的雷击附着特性,文中建立了碳纤维和玻/碳纤维混合风机叶片的三维电磁场仿真模型,基于有限积分法和理想边界拟合技术,通过计算不同材料叶片表面场强分布,分析了下行先导位置和叶片材料影响雷击附着特性的原因,研判了接闪器对碳纤维叶片的保护能力.研究结果表明:...     

不同类型避雷针雷击接闪效能差异的实验评价方法

探讨一种直观、易于理解且反映雷击放电机理的实验方法,以评价不同类型避雷针的雷击接闪效能差异,对雷电防护领域形成共识显得尤为重要.为此,论文首先分析了雷电环境下地面目标物上避雷针的雷击接闪过程,指出不同类型避雷针接闪效能的差异主要体现在对迎面放电过程的影响上;接着,提出了如下实验评价方法:采用针-板间隙的放电实验布置,对4m及以上间隙施加1.2/50μs标准雷电波模拟迎面流注放电过程,对6m及以上间隙施加250/2500μs标准操作波模拟迎面先导放电过程;然后,通过比较非传统避雷针与传统避雷针的放电起始时刻与平均发展速度2个指标,以评价不同类型针的接闪效能差异;最后,利用所提方法对典型提前放电(early streamer emission,ESE)非传统避雷针与传统避雷针开展了接闪效能差异的评价实验.实验结果表明:ESE针与传统避雷针的评价指标基本一致,不具备研发商所宣称的引雷增效作用.