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
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，再对雷电波形对磁感应强度产生影响进行分析，从而可以对风电机组中的电子设备
和电气元件进行更好的防雷保护设计。

3结束语
综上所述，本论文把风电机组的叶片和塔筒作为分析的主要对象，采用暂态模型的方式进行
分析，对叶片和塔筒部位中的暂态过电压和磁感应强度的变化情况进行分析，并提出了相应
的防雷保护办法。

参考文献：
[1]常俊. 基于EMTP/ATP的风电场内直击雷过电压及其防护的研究[D].东北电力大学,2015.
[2]王艳姣. 风电机组防雷保护研究[D].西南交通大学,2018.
[3]陶家元. 风电场典型过电压分析及抑制措施研究[D].重庆大学,2017.。