张北风电场雷击风机光电同步观测

开展风电场自然雷击多参量同步观测，获取雷击风机发展连接过程的光学、电磁场同步数据，对于深入分析风电场风机雷击特征规律、深化风机雷击物理过程的认识和风机的雷电防护都具有重要科学意义。因此，利用高速相机和磁场测量系统获得了张北风电场雷击风机自然观测数据。基于磁场、光学和雷电定位系统数据分析可知，张北风电场内雷击风机的闪电表现出多回击特征，平均回击次数为8次。回击时间间隔的算术平均值和几何平均值分别为63.38 ms和45.06 ms。高速相机记录了一次含11次回击的完整过程，在11次回击中有3次回击伴随有持续时间大于10 ms的短连续电流过程，有2次回击伴随有持续时间在3～10 ms之间的极短连续电流过程。回击电流幅值为3.8～62.9 kA之间，电流峰值的中位值为19.2 kA。磁场波形表现为微秒级的快速变化，磁场的10%～90%的上升时间处于0.6～2.2 μs区间，算术平均值和几何平均值分别为1.1 μs和1.0 μs。半峰宽度处于1.2～6.3 μs之间，算术平均值和几何平均值分别为3.4 μs和3.3 μs。回击的磁场峰值和回击峰值电流之间呈明显的线性关系。     

地表近区雷电回击电磁场的计算与特征分析

为了揭示雷电回击电磁场导数与回击通道底部电流导数之间的内在联系,基于传输线(TL)模型从理论上对地表近区雷电回击电磁场导数和回击通道底部电流导数进行了研究。用偶极子法精确计算电磁场的结果表明,在距离雷电回击通道50m范围内,电场导数的波形与回击通道底部电流导数的波形基本符合;在距离雷电回击通道200m范围内,磁场导数的波形与回击通道底部电流导数的波形基本符合。由此可得出结论:近区回击电磁场导数的波形与雷电回击通道底部电流导数的波形近似。     

闪电回击工程模型的有效性研究

为了分析几种常用的闪电回击工程模型的有效性,将回击通道底部电流表示为击穿电流和电晕电流的叠加,利用脉冲函数描述回击通道底部电流波形,选择了一种比较典型的回击通道底部电流波形参数,分别对Bruce-Golde(BG)模型、运动电流源(TCS)模型、Diendorfer-Uman(DU)模型、传输线(TL)模型、电流指数衰减的传输线(MTLE)模型和电流线性衰减的传输线(MTLL)模型6种回击工程模型产生的不同场区回击电磁场进行了计算,并将计算结果与实际测量得到的不同场区回击电磁场特征进行了比较。结果表明基于MTLL回击模型计算得到的不同场区回击电磁场能够符合实际测量回击电磁场所具有的4个特征:(1)电场与磁场都有1个快速上升的初始峰值,当观测距离>1km时该峰值的数值与距离接近成反比;(2)几十km距离以内的电场在起始峰值之后有1个缓慢的上升沿,其持续时间可长达100μs;(3)几十km距离以内的磁场在起始峰值后有1个隆起,其最大值在10～40μs之间;(4)50～100km距离之间的电磁场在初始峰值后几十μs内都有过零点。依据另外5种回击工程模型计算得到的回击电磁场不能与实际测量闪电回击电磁场的特征完全相符。因此,MTLL回击模型具有相对更高的精确度和有效性。     

回击电流对雷电远区电磁场多重分形特征的影响

针对弯曲通道下回击电流对雷电电磁场波形特征的影响和表征问题,基于偶极子法建立了云地闪随机弯曲通道回击电磁场的计算模型,对不同回击电流波形激发的远区电磁场进行了计算和多重分形分析,获得了观测点方位角和回击电流波形特征对远区电磁场多重分形特征的影响规律。结果表明:雷电远区电磁场的多重分形谱宽度Δα和不对称度B受方位角和回击电流波形的影响要比峰值奇异指数0α明显;回击电流波形的上升时间越大,远区电磁场波形越平滑,对应多重分形谱的峰值奇异指数0α和谱宽度Δα越小,不对称度B越大;回击电流波形的半峰值时间越大,远区电磁场多重分形谱的0α和Δα越小,而B则呈现先减小后增大的趋势。     

基于斜向放电通道的地表雷电电磁场特性分析

为保护敏感设备免受雷电电磁脉冲场的危害并选择合适的防护措施,需要确定斜向放电通道下雷电回击电磁场的场强以及分布规律。为此,将雷电斜向放电通道的电流微元分解为垂直和平行于大地的分量。利用脉冲函数表示通道底部电流,结合回击电磁场的传输线模型,根据偶极子法求解Maxwell方程组,得到了斜向通道在空间产生电场与磁场的解析表达式。进而研究了通道倾斜程度对不同场区地表回击电磁场的影响以及回击电磁场随观测点位置的变化规律。结果表明:地表电场比磁场更易受到通道倾斜程度和观测点位置的影响,且地表电磁场强度波形峰值在近场、中间场和远场均随斜向通道与地面夹角的增大而减小,在远场和中间场随斜向通道与地面观测点之间方位夹角的增大而减小。     

雷电回击通道电流影响因子仿真分析

雷电回击模型是雷电电磁场研究领域的重要环节,为了能够更深层次的研究雷电电磁场,着重介绍了雷电回击模型中的工程模型,并结合目前电磁兼容领域应用最广泛的通道电流随高度变化呈指数衰减（MTLE）,选取Heidler函数为雷电回击通道底部电流波形,运用MATLAB进行仿真分析,改变模型中的参数,观察仿真波形,总结MTLE模型的特点及雷电回击通道电流的影响因子,有助于雷电防护事业的进一步探讨。     

基于垂直放电通道的地面雷电电磁场的计算与特征分析

为保护敏感设备免受雷电电磁脉冲场的危害并选择合适的防护措施,需分析垂直放电通道下雷电回击电磁场的场强及分布规律,为此,利用脉冲函数表示通道底部电流,结合回击电磁场的传输线回击电磁场的传输线(modified transmission line exponential model,MTLE)模型,根据偶极子法求解Maxwell方程组,推导垂直通道在空间产生电场与磁场的解析表达式,借助Cooray-Rubinstein公式计算在考虑大地电导率的情况下的水平电场分量,得出通道周围任意场点P(r,φ,z)的水平电场分量Er、垂直电场分量Ez与横向磁场分量Hφ的计算表达式,进而研究雷电通道周围任意场点在不同水平距离、高度以及大地电导率的电磁场变化规律。结果表明,电场与磁场的波形及其幅值受水平距离、高度和大地电导率的影响显著,为选择合适的防护措施提供了可靠的依据。     

人工引雷至架空线路与地面雷电流峰值估算比较

基于2018—2019年在广州从化进行的引雷至架空线路和引雷至地面两种火箭引雷试验，分析对比了两种引雷情况下在试验现场测得的回击实测电流峰值以及由雷电定位系统提供的回击估算电流峰值和回击远电场峰值，评估了两种引雷情况下雷电定位系统的电流估算情况。引雷至地面(线路)情况下87(70)次回击实测电流峰值的几何平均值是13.4(16.4) kA。相对于引雷至地面的回击，引雷至线路情况下回击电流峰值估算误差整体更偏向纵轴的负轴，这可能是因为电流峰值相同的回击，引雷至线路时产生的远电场峰值比引雷至地面时约低14%。     

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。     

10 kV配电线路火箭引雷试验及雷电流波形特征分析

为了研究引雷至配电线路雷电流波形特征,开展了国内首次10 kV配电线路火箭引雷试验,成功触发26次闪电,其中包含回击闪电20次,总回击数120次,每次闪电平均包含6次回击,一次雷击过程回击次数最多高达13次。一次典型雷电流波形可分为3个阶段：初始阶段(IS)、回击(RS)和M分量。IS的平均电流、转移电荷、持续时间的几何平均值分别是56.2 A、15.0 C、267.1 ms; RS的峰值电流、10%～90%上升时间、1 ms转移电荷、回击间隔时间的几何平均值分别是16.4 kA、0.6μs、1.1 C、41.9 ms; M分量的峰值电流、10%～90%上升时间、转移电荷的几何平均值分别是0.4 kA、119.8μs、0.08 C。IS转移的电荷远大于单个RS转移的电荷,甚至大于IS后续所有回击转移电荷之和。每次回击平均包含1.5个M分量,一次闪电事件中M分量转移的电荷约为回击转移电荷的11%。雷电流波形数据对电力系统尤其是配电系统的雷电防护设计有帮助。     

雷电水平电场时域近似算法研究及精度验证EI北大核心CSCD

雷电水平电场是计算雷电感应过电压的关键参数。为了准确高效的求解出雷电水平电场,利用Barbosa和Paulino所提出的雷电水平电场时域近似算法（B-P方程）对距离闪电通道100~1 000 m范围内雷电水平电场进行模拟,分析了不同雷电参数及大地电参数对水平电场特性所产生的影响,并应用2-D FDTD方法对B-P方程的精度进行检验。结果表明：若模拟中地面电导率σ设置越低、观测点距地面高度h设置越低、观测点到闪击点距离r0设置越远、回击速度v设置越大时,电磁场所包含的高频分量比重越大,模拟出水平电场波形的双极性特征越明显;相比于首次回击电流,当模拟中采用继后回击电流时,模拟出水平电场波形的双极性特征更明显;除了电导率σ较低时（σ≤0.001 S/m）B-P方程的计算精度会受传播效应的影响外,其模拟出的水平电场波形与2-D FDTD的模拟结果基本一致,且B-P方程的峰值计算误差均在±5%之内。综上,由于B-P方程的计算时间仅为0.01 s左右,因此在提高计算效率的同时能保证较好的计算精度。     

雷电水平电场时域近似算法研究及精度验证

雷电水平电场是计算雷电感应过电压的关键参数。为了准确高效的求解出雷电水平电场,利用Barbosa和Paulino所提出的雷电水平电场时域近似算法(B-P方程)对距离闪电通道100~1 000 m范围内雷电水平电场进行模拟,分析了不同雷电参数及大地电参数对水平电场特性所产生的影响,并应用2-D FDTD方法对B-P方程的精度进行检验。结果表明:若模拟中地面电导率σ设置越低、观测点距地面高度h设置越低、观测点到闪击点距离r0设置越远、回击速度v设置越大时,电磁场所包含的高频分量比重越大,模拟出水平电场波形的双极性特征越明显;相比于首次回击电流,当模拟中采用继后回击电流时,模拟出水平电场波形的双极性特征更明显;除了电导率σ较低时(σ≤0.001 S/m)B-P方程的计算精度会受传播效应的影响外,其模拟出的水平电场波形与2-D FDTD的模拟结果基本一致,且B-P方程的峰值计算误差均在±5%之内。综上,由于B-P方程的计算时间仅为0.01 s左右,因此在提高计算效率的同时能保证较好的计算精度。     

通道高度对斜向通道雷电电磁场影响研究

由于雷电的突发性和瞬时性,导致其产生的强电磁脉冲场难以直接测量,给雷电电磁场的研究带来了很大的难度。将斜向通道电流微元分解为垂直和平行于大地的分量,利用脉冲函数表示通道底部电流并结合雷电电磁场的TL模型,根据偶极子法求解Maxwell方程组,得到斜向通道电磁场的解析表达式;基于斜向通道模型,研究了雷电通道高度对不同场区地表回击电磁场的影响。结果表明,通道高度对电磁场的影响随着水平距离的增加而增加,在回击电流达到通道顶部之前,电磁场波形基本完全重合。     

近场空间LEMP波形特征研究

为了进一步探索近场区空间雷电电磁脉冲场的波形特征,对近场区空中不同高度处的雷电电磁场与回击通道底部电流之间的相互关系进行了理论研究。基于TL模型,通过理论推导得到了近场区空间LEMP和回击电流之间的关系。对比电磁场精确表达式与其两级近似表达式的波形,结果表明:在距回击通道50m以内、高度为几十米到几百米的空间内水平电场的精确波形与其两级近似波形基本重合;在距离回击通道200m以内、离地高度500m以下的空间内角向磁场的精确波形与其两级近似波形基本重合。     

雷电回击模型在雷电电磁场计算中的应用分析

雷电回击模型是研究分析雷电产生电磁场特性的重要环节,介绍了雷电回击模型的假设条件、分类方法以及常用模型构建的物理思想和数学表达式,分析了两类模型的内在联系、几种雷电回击电流波形曲线和DU模型中部分参数对电磁场计算的影响,并为今后雷电回击模型的研究建立提出了建议。     

雷电回击DU模型等效电路仿真

从雷电对系统产生影响的实际出发,研究了国际上较通用的雷电回击模型,将其归纳为两大类,指出了雷电回击模型的共性特点及建立理想雷击模型的基本要求。以DU模型（由Deindorfer和Uman在1990年提出的一种雷电回击模型）为基础,建立雷电通道的等效电路,在PSCAD／EMTDC上进行仿真运行,重构了雷电回击电流波形曲线,将仿真得到的对地雷电流波形与原始实测电流波形特征参数比较,证明了该等效电路用于雷电研究的有效性。     

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。     

可记录多重雷击的雷电流波形在线监测装置研制

线路遭受多重雷击可能导致变电站内断路器损坏。多重雷击雷电流波形测量与监测对深入研究雷电活动和改进防雷技术有重要意义。因此提出了一种可实现连续5次以上多重雷击电流波形记录的雷电流在线监测系统。该系统根据多重雷击单次回击电流时间短、两次回击间隔时间长的特点,高速采样回击电流,低速采集中间电流并等待下次回击电流,实现连续波形记录。选用了最大传输延迟时间仅为3.5ns的可编程逻辑器件触发监测装置,保证雷击后0.5μs内启动监测装置采样;利用高低速采样结合的方式,一次可采集756ms时长的雷电流波形。制作的成套监测系统在实验室得到验证并应用于输电线路等易受雷击地区,给出了一组于2010年8月20日在深圳市采集到的实际雷电流波形。     

基于改进Agrawal模型和FDTD法的感应雷过电压算法

为了计算架空配电线路雷电感应过电压,利用Nucci提出的雷电回击通道模型(MTLE模型),计算雷电回击电流产生的空间电磁场,采用Cooray-Rubinstein公式计算大地电导率影响的水平电场分量,并改进Agrawal场线耦合模型,建立架空配电线路雷电感应过电压方程,基于时域有限差分(FDTD)法,计算10 kV架空线路的雷电感应过电压数值。结果表明,大地电导率对计算结果影响较大,大地电导率使线路上的感应电压幅值降低接近20 kV;不同回击传播速率也影响感应雷过电压的数值。定量计算雷电感应过电压,需要分析各种因素对计算感应雷击过电压的影响,完善计算方法,保障计算准确性,使理论与计算方法适用于实际的配电线路防雷设计,提供有价值的参考依据。     

基于触发闪电的共用地网雷电流分布观测及分析

对于雷电流在地网上分布的研究大多是基于理论分析,为此,通过野外试验并结合ATP-EMTP仿真分析了雷击共用地网时雷电流的分布情况。研究结果表明:共用地网模型中连接地网的2条扁钢分流到远端地网电流5次回击幅值和电量平均值分别为-1.2 k A和-0.24 C,分别占注入触发闪电的7.8%和27.0%;波前时间平均值和波尾时间平均值分别为22.0μs和149.2μs,分别是注入触发闪电的44倍和16倍;触发闪电电流中的一次幅值为-19.3 k A的M分量分流到远端地网时波形和注入闪电电流相似,与回击分流到此的电流也较为相似。仿真与实测结果对比发现:回击过程分流的幅值和波前时间与实测结果相符合,但波尾时间模拟结果有明显的差异;M分量模拟结果与实测整体波形都比较符合,效果优于对回击过程的模拟。触发闪电电流注入后,共用地网远端M分量电流幅值衰减比例要远小于回击过程,而其波形与回击类似,M分量对远端地网分流和地电位升高的危害应值得关注。