雷击风险论文提纲

论文题目：大型风机叶片雷击接闪的极性效应与风险评估方法

摘要：随着人类对于能源需求的不断增加,化石燃料的快速消耗,温室效应的不断加剧,可再生能源成为未来能源的发展方向,风力发电是其中发展最迅速、技术最成熟、应用最广泛的利用形式。然而雷击事故严重威胁了风电场的安全稳定经济运行,其中以叶片雷击损伤问题最为突出。现有防雷系统在一定程度上提供了保护,但随着机组容量提升,叶片塔筒尺寸增大,风机防雷问题面临新的挑战。究其原因,目前的风机防雷系统设计多依靠经验方法,缺少相应的基础理论研究。为完善风机叶片防雷设计,提高风电机组雷击防护性能,降低雷击事故概率,保障风电场正常运行,本文综合利用实验研究与仿真建模手段,针对风机叶片接闪特性,防雷系统拦截失效原因,叶片雷击风险评估方法等问题开展系统性研究,为风机叶片防雷系统优化设计提供了理论基础与分析方法。通过搭建风机叶片雷击接闪特性试验平台,采用长间隙放电模拟雷击过程,研究了不同叶片姿态角度、下行先导侧面距离及雷电极性对叶片接闪特性的影响规律,归纳了接闪点类型,发现正极性雷击时,叶片处负极性上行先导起始难度较大,接闪点向远离叶尖方向转移,接闪器拦截性能下降,存在显著的极性效应。进而研究了不同极性雷击下空间电荷对接闪过程的影响作用,定性解释了极性效应的产生机制。同时指出正极性雷击更易导致叶片雷击事故,并提出了接闪器失效的三种典型模式。利用缩比旋转风机模型,模拟实际风机运行时叶尖线速度,研究了不同极性雷击作用下叶片旋转对接闪特性的影响规律,发现对于接闪过程,旋转使得叶尖处接闪器失效,接闪点向叶根方向转移,防雷系统整体拦截性能下降;对于主回击过程,旋转造成接闪点附近放电通道发生偏移,在叶片表面产生拉弧现象,使得接闪器成功拦截时叶片仍可能遭受损伤。此外,发现旋转下同样具有显著的极性效应,旋转对负极性雷击接闪过程影响较小,而对正极性雷击影响较大。从上行先导的起始机制与对下行先导的吸引作用两方面,分析了极性效应的产生原因。通过分析负极性先导各部分不同极性流注区域空间电荷分布特征,借鉴正极性先导发展模型中计算空间电荷量的简化方法,建立了负极性先导发展模型,模拟了梯级先导发展过程,获得了空间茎、空间先导、负先导主通道等结构的时空演化规律,利用长间隙放电试验结果进行了验证。结合观测数据,提出了负极性上行先导起始判据,模拟了正极性自然雷电接闪过程,为分析风机叶片雷击接闪特性的极性效应提供了理论依据。通过纳入雷电下先导速度对背景电场的影响作用,与先导速度对能量转化效率的对应关系,改进了不稳定先导转化条件,完善了先导发展模型,提出了稳定先导起始的初始流注动态临界长度判据,实现了先导速度、雷电流峰值对上行先导起始影响的量化表征,是现有先导起始判据的推广。在此基础上根据叶片表面不同位置上行先导起始难度的差异,提出了叶片表面任意位置雷击风险评估方法,分析了不同叶片姿态、不同接闪器类型以及不同雷电下行先导侧面距离下叶片防雷系统的防护效果,对比了不同极性雷击时叶片的雷击风险系数分布,定量分析了极性效应对接闪器拦截性能的影响作用。为风机叶片接闪器的优化布置提供了分析工具。

关键词：风机叶片;接闪特性;极性效应;上行先导起始;雷击风险评估

学科专业：电气工程

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.1.1 风力发电的发展现状

1.1.2 风电机组面临的雷击防护问题

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 风机叶片及其防雷系统设计制造发展趋势

1.2.2 风电场雷击观测与叶片损伤原因

1.2.3 风机叶片雷击接闪特性的试验研究

1.2.4 风机叶片雷电屏蔽分析模型

1.3 待解决的问题

1.4 本文主要研究内容

第2章 静止状态下风机叶片雷击接闪特性与极性效应

2.1 试验平台与试验设置

2.1.1 风机叶片雷击接闪特性试验平台

2.1.2 全尺寸风机叶片被测试品

2.1.3 接闪过程光学观测系统

2.2 不同姿态下风机叶片雷击接闪特性

2.2.1 叶片与水平方向呈90°时的接闪特性

2.2.2 叶片与水平方向呈30°时的接闪特性

2.2.3 叶片与水平方向呈0°时的接闪特性

2.3 不同侧面距离对风机叶片接闪特性的影响

2.4 风机叶片接闪器的三种失效模式

2.5 风机叶片雷击接闪特性的极性效应

2.6 本章小结

第3章 风机旋转对叶片接闪特性的影响机制

3.1 试验平台与设置

3.1.1 缩比旋转风机雷击接闪试验平台

3.1.2 试验设置

3.2 叶片旋转对接闪点分布规律的影响

3.2.1 负极性下叶片旋转对接闪点分布规律的影响

3.2.2 正极性下叶片旋转对接闪点分布规律的影响

3.3 叶片旋转对接闪点附近放电通道的影响

3.4 旋转叶片接闪特性的极性效应

3.5 本章小结

第4章 正极性雷击作用下负极性上行先导发展模型

4.1 负极性梯级先导发展物理机制

4.1.1 初始电晕

4.1.2 空间茎

4.1.3 空间先导

4.1.4 梯级过程的结束与新梯级过程的开始

4.2 长间隙负极性梯级先导放电发展模型

4.2.1 负极性梯级先导发展模型

4.2.2 负极性梯级先导发展模型的验证

4.2.3 关键参数对负极性梯级先导发展模型的影响作用

4.3 负极性上行先导起始判据

4.3.1 负极性上行先导起始判据的提出

4.3.2 负极性上行先导起始判据的验证

4.4 本章小结

第5章 考虑极性效应的风机叶片雷击风险评估方法

5.1 正极性上行先导稳定起始的初始流注动态临界长度判据

5.1.1 正极性稳定先导起始物理模型

5.1.2 初始流注动态临界长度判据

5.1.3 关键物理参数对动态临界长度判据的影响

5.1.4 初始流注动态临界长度判据的验证

5.1.5 不同稳定先导起始判据的比较与讨论

5.2 基于上行先导起始物理机制的风机叶片雷击风险评估模型

5.2.1 风机叶片雷击风险评估模型

5.2.2 风机叶片雷击风险分析

5.3 不同极性下风机叶片雷击风险评估

5.3.1 正负极性上行先导起始判据的讨论

5.3.2 正负极性雷击下接闪过程与雷击风险对比

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录 变量说明

致谢