风电机组雷击暂态过电压分布规律磁场分析

风电机组雷击暂态过电压分布规律磁场分析

发表时间：2019-09-10T10:25:37.733Z 来源：《当代电力文化》2019年第09期作者：李祺

[导读] 对不同雷电特性下暂态过程分析，并对不同雷电特性下磁场分析进行研究，并提出了相应的防雷办法。

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摘要：随着风力发电机组规模的不断变大，雷电袭击使得风电机组受损的现象时有发生，加强对风电机组的防雷保护设计变得更为重要。本文对不同雷电特性下暂态过程分析，并对不同雷电特性下磁场分析进行研究，并提出了相应的防雷办法。

关键词：风电机组；暂态分析；磁场分析

随着风力发电技术得到了广泛的应用，机组具备的稳定性得到了人们的重视，特别是雷击对风力发电机组的影响，会导致发电机组不同部位的暂态电压产生很大幅度的提升，会使内部磁场分布发生变化，对机组中的电机、电力设备形成较大的影响，严重情况下会使风机无法工作或者使机彻底损坏。这就需要对风力发电机组在遭受雷电袭击条件下，电机内部形成的暂态过电压分布规律进行分析，对不同雷电条件下暂态特性进行研究，针对风电机组不同部位雷击情况进行仿真，进行了解到雷电压的分布规律，从而提出相应的改进措施。

1不同雷电特性下暂态过程分析

如果风机最高位置处的叶片受到雷电袭击，大电流会顺着叶片进入到塔筒和其它电力设备，叶片部位的电压会快速升高，由于电气元件的存在会形成较为强烈的热效益，对风机叶片形成较大程度的损坏。

1.1不同雷电幅值条件下风机叶片暂态分析

通过建立起风机和雷电流仿真模型，使波长和波头时间保持不变，调整雷电幅值，波头时间为2.5微秒，波长持续时间为50微秒。使波头和波长电流幅值分别达到25千安、60千安。让雷电击中风力发电机组叶片的中部和顶部，从而进行暂态分析和模拟。

进行25千伏雷电流模拟时，雷电形成的电动势使风电机组叶片顶部被击中之后，会在叶片中部和顶端节点形成数值不同的雷电过电压，叶片顶部节点最高的暂态电压可达到兆伏级别，中部节点暂态电压有500伏左右，远低于顶端节点暂态过电压。在叶片中部受到雷电袭击后，中部和顶部节点会形成电压数值和幅度不同的过电压，但暂态电压会小于叶片顶端被雷电击中的数值，差值会超过200千伏。

进行60千伏雷电流模拟时，叶片顶部被雷电击中时，叶片中不同节点暂态电位改变情况和幅值与25千伏形成的暂态电位基本类似，在雷电击中部位形成的过电压可达到几兆伏，从击中部位向外不断衰减。叶片中部被雷电击中时，形成的雷电过电压波形和25千伏类似，暂态电压会在阻抗和雷电共同作用下出现短时期的振荡，直到最终达到稳定状态。从模拟情况来看，雷电击中叶片顶部形成的过电压，会比其它部位对风电机组造成的伤害更为严重。因此，进行防雷保护设计时，可以把雷电引到叶片中部，从而有效减小暂态过电压，在叶片中部安装接闪器可以有效起到防雷保护作用，增加接闪器的安全数量，让雷电经过下引线传到大地中，防雷保护效果可以提升38%左右。

1.2不同雷电波头时间条件下风电机组暂态研究

雷电流的重要参数之一就是波头时间，具备的幅度决定着波头陡度，体现出被雷电击中之后形成的电磁感应对风电机组产生的危害。波头时间多保持在0.26-10微秒，采用0.26、2.6和10微秒三种波头时间进行模拟。如果风机叶片顶部被三种不同波头时间的雷电击中之后，来对叶片和塔筒的雷电过电压和电流变化情况进行分析，从而对风电机组暂态特性进行分析。

叶片暂态电位分析方面，把叶片顶端作为雷击点，在电流值为10千伏条件下三种波头时间暂态电压分布情况来看，如果雷电流波头时间变小，叶片暂态电压波形陡度会显著升高，感应过电压会产生较大的改变，在0.26微秒波头时进行仿真，形成的暂态过电压会大于兆伏级。但在10微秒波头雷电条件下，叶片暂态过电压数值只有0.26微秒时的30%，没有形成较大幅度的振动。随着波时间的变小，叶片暂态电位陡度会不断变大，特别是0.26微秒和10微秒时的暂态电位陡弃，最高相差1.81倍。同时，随着波头时间的变小，具备的震荡幅度也相应变大，最后达到稳定状态。雷电波头时间的减小，每个节点电流形成递增趋势，波形具备的陡度和叶片注入雷电波头时间呈现出反比例关系，直接决定着雷电事故的严重程度。

塔筒暂态电流分析方面，如果叶片被雷电击中，塔筒中的电力设备也会受到较大的影响。从不同波头时间条件下对塔筒雷电暂态过电压改变情况来看，雷电波头时间的变化，塔筒中的等值电路每个节点暂态过电压会呈现出变化趋势。雷电流波头时间的不断变小，经过塔筒之后的暂态电位会显著提升，在0.26微秒、10微秒波头时间条件下的暂态电位会相关4.2倍，表明波头时间会对塔筒形成较大的影响。较高强度的暂态电位变化，会使风电机组叶片形成较大的热效应，严重情况下会导致叶片无法运行，塔筒中形成的过电压和变化快的电磁脉冲，会对塔筒中的电力设备形成较大的影响。塔筒的结构为雷电泄流提供了通道，会经过接地电阻进入到大地中。

可以看出，风电机组受到雷电袭击之后的传导路径中，不同部件的电位下降程度有着较大的差异，塔筒会为雷电提供泄放通道，叶片会形成最高的暂态电位，叶片部位会受到最大的伤害，经过叶片部位的雷电流改变幅度不大，需要做好叶片部位的防雷工作。

2不同雷电特性下磁场分析

2.1不同雷电特性下的叶片磁场分件

采用有限元软件来对风机进行模拟，然后进行网格化区分，再进行雷电仿真检测，从而模拟出雷电击中风机叶片顶端时，风电机组内磁感强度的改变情况。采用0.26、2.6、10微秒雷电波头时间参数进行模拟，从模拟后的磁感应强度与时间关系曲线中可以看出，随着时间的推移，磁感应强度曲线体现出先增长后变小的趋势。同时，随着雷电波头时间的变小，磁感应强度改变的则越快，在0.26微秒条件下，磁感应强度曲线具有最大的陡度，而在10微秒波头参数下，磁感应强度陡度变得更为平缓。由于叶片被雷电击中之后会受到过电压的威胁，还会承受磁感应强度损害，必须要做好叶片的防护工作。

2.2不同雷电特性下塔筒磁场分析

把塔筒材料采用Q345C进行仿真，建立起网格剖分图，在风机叶片最低部位建立起雷电流模型，对塔筒顶部施加幅值为25千伏的、标准雷电流。采用瞬态分析的办法来对磁场暂态进行分析，利用0.26、2.6、10微秒的雷电波头时间进行仿真，不同参数条件下的雷电流进入到塔筒后当作激励源，来对塔筒中的磁感应强度变化情况进行分析，从而对暂态特性进行研究。

在0.26微秒雷电波头条件下的塔筒磁感应强度进行分析，选择塔筒顶、中和底部不同位置来对感应强度进行检测，从变化曲线中可以看出，随着雷电波头时间的变小，磁感应强度改变的越快。在0.26微秒波头条件下具备最大的陡度，在10微秒波头条件下，磁感应强度陡度最小，具有平缓趋势。随着雷电波头时间变长，磁感应强度幅值也会变大，在波头时间为10微秒时达到最大值，是0.26微秒条件下的1.72倍。所以，雷电波头时间会对塔筒磁感应强度形成很大的干扰。对风电机组进行防雷保护设计时，需要充分考虑到雷电的随机性和无规则性，