海上风机雷击电弧冲击损伤机制与高频次生电磁效应

With the large-scale exploitation of offshore wind farms, the lightning disasters，especially the blade damage of wind turbine and the high-frequency secondary electromagnetic effects, have been a key factor of the safe and reliable operation of wind power generation. The multi-branch electric arc path analysis model is studied in this project, based on which, the degradation process of blade material is simulated by molecular reaction dynamics. The chemical degradation mechanism of the materials is revealed from the atomic level and the damage mechanism of blades caused by hot-magnetic-gas coupling effect is also analyzed. The integrative transient equivalent circuit model of wind turbine generators is established, and the spatial distribution of transient electro-magnetic fields and the overvoltage characteristics on the internal lines are obtained. This project adapts to the large-scale development of offshore wind farms, and the research results can guide the blade design and provide theoretical support for optimization of lightning protection system, thus it has great significance for the development of the offshore wind industry all over the world.

随着海上风电场的大规模开发利用，雷击灾害特别是电弧冲击效应下风机叶片的损伤以及雷击风机引发的高频次生电磁效应成为制约风力发电安全可靠运行的重要因素。本项目以研究叶片内部多分支电弧路径发展模型为基础，使用分子反应动力学模拟手段对叶片材料的降解过程进行研究，从原子层面定量揭示热-磁冲击效应下材料的化学降解机理，分析热-磁-气多物理场耦合作用下雷击电弧冲击效应对风机叶片的损伤机制；研究考虑海洋接地系统冲击接地特性以及机组各部分波阻抗特性的风电机组一体化暂态等值电路模型，确定机组内暂态电磁场的空间分布及其内部线路上的感应电涌过电压特性。本项目研究适应当前海上风电场规模化发展的重大技术需求，研究结果可以从雷电防护的角度指导叶片的设计，并为雷击防护系统的优化提供理论支撑，这对于推动我国乃至世界海上风电产业的发展具有深远意义。

发展海上风电对于促进能源结构调整、转变经济发展方式具有重要意义，而雷击灾害严重威胁对了海上风电场的正常运行。本项目重点针对雷击海上风机电弧冲击效应对风机叶片的损伤机制与高频次生电磁效应开展科学研究。研究风机叶片电气几何模型的构建原理，推导叶片防雷系统效率的计算方法，为风机叶片的防雷设计与防雷效率评估提供理论依据；基于雷电物理的多风机雷电屏蔽电气几何模型，研究多风机间雷电屏蔽的关系与屏蔽判据；建立电弧热-磁冲击效应下材料降解的分子反应动力学模型，研究材料降解机理；建立考虑海洋接地系统冲击接地特性以及机组各部分波阻抗特性的风电机组一体化暂态等值电路模型；提出机组内空间场域雷电电磁暂态数值算法，预测机组内的强场电磁耦合。本项目研究适应于当前海上风电场规模化发展的重大技术需求，研究结果将从雷电防护的角度指导海上风机叶片材料的选取和叶片外形的设计，为海上风机整体雷击防护系统的优化设计提供理论支撑，具有重要的理论意义和实用价值。