风电机组叶片雷电附着特性及群保护效应的基础研究

Damage caused by direct lighting strike on the wind turbine blades will exert great threat to the safe operation of the wind turbine system. The research on lightning attachment mechanism of wind turbine blades and group protective effects is really significant to optimize the technical requirements of wind turbine blades receptor and improve lightning protection level of wind turbine.The project will carry out lightning attachment testing of wind turbine blades model. The relationship between lightning attachment characteristic of wind turbine blade and the factors such as material of blades, size, receptor sharp and number, receptor layout, the direction and polarity of lightning leader, striking distance, the waveform of impulse voltage and the turbine operating mode, will be studied systematically. Influence of DC background field, scale of reduced-size wind turbine model, approaching leader and analogy method of space electric field on the lightning attachment characteristics of the wind turbine blades will be studied further. Group protective effect of different distance between wind turbines, height of wind turbine, operating mode of turbine and polarity of ligntning under several unit layouts such as matrix layout, line layout etc will be also studied. This project can be expected to proclaim the influence of turbine blade's length and receptor layout on lightning attachment mechanism and form a test method of lightning attachment characteristics of wind turbine blade, which lays the theory support and test foundation for a further identification of guide ray quality of wind turbine blade and numerical simulation analysis of lightning attachment characteristics of wind turbine blade.

雷电直接击中风力发电机组引起叶片损坏对风力发电机组的安全运行造成严重威胁，研究风电机组叶片雷电附着机制和群保护效应等基础问题对于优化风电场叶片接闪器技术要求、提高风电机组雷电防护水平意义重大。本项目将开展风电机组缩比模型雷电附着特性试验研究，综合研究叶片尺寸、接闪器形式、接闪器数量、接闪器布置位置、雷电先导位置及击距、雷电极性、冲击电压波形、机组运行状态等多种因素对叶片雷电附着特性的影响，进一步研究在直流背景场、缩比模型几何比例尺、迎面先导及空间电场模拟方法对叶片雷电附着特性的影响，开展风电机组矩阵布置、线形布置情况下不同距离、风电机组高度、叶片状态、雷电极性等状态下风电机组的群保护效应研究，预期可以初步揭示风电机组叶片长度及接闪器布置对雷电附着影响机制，发展风电机组雷电附着试验方法，为进一步开展风电机组叶片导雷质量鉴定、叶片雷电附着性能数值仿真提供理论支撑和实验基础。

作为一种户外高架结构体，风力发电机易遭受自然雷击发生损坏。研究风电机组叶片雷电附着机制和群保护效应等基础问题，对于优化风电场叶片接闪器技术要求、提高风电机组雷电防护水平意义重大。项目针对国内主力机型2MW风电机组，开展了叶片缩比模型雷电附着特性及群保护效应试验。通过旋转风机叶片0°、30°、60°、90°四种工况模拟实际运行中叶片旋转方位，分别采用正、负极性的标准雷电波和操作波研究了放电波形对风机叶片雷电附着特性的影响，并比较了不同雷电击距、不同离散型叶片接闪器数量及位置影响，分析了不同数量离散型叶片接闪器布置时的接闪概率。研究结果表明，负极性雷电易在叶片绝缘部分和机舱上附着，正极性雷电更倾向于被叶尖接闪器和机舱避雷针接闪，负极性放电对风机的危害性高于正极性放电。操作冲击电压较长的波前时间能为上行流注的发展提供足够的时间，从而导致采用操作波进行试验时风机叶片接闪器的接闪效率明显更低。下行闪电模拟试验中未发现叶片旋转角度不同对叶片雷电附着特性存在影响，上行闪电的模拟试验中，当叶片旋转角度为30°时超过30%的雷电附着在非叶尖区域，其它角度下雷电几乎只附着在叶片叶尖。随着放电击距的增大，叶尖接闪器的接闪效率提高，叶片上雷击附着率相应降低，完全保护40m叶片则需至少布置4对或4对以上接闪器。风电机组叶片雷电群保护效应的试验研究发现，风机旋转角度一致时多台风机同时遭受雷击概率明显增大，击距逐渐增大时，雷击多台风机的概率显著降低。项目还利用火箭引雷技术，研究了各雷电分量光强与电流关系的关系，发现雷电辐射光强度滞后于雷电流存在延时现象，辐射光强度与雷击电流或电流的平方呈线性关系。项目研究成果为进一步开展风电机组叶片导雷质量鉴定、叶片雷电附着性能数值仿真提供了理论支撑和实验基础，对完善风机雷电防护方法及减小雷击损失也具有十分重要的意义。开展的雷电电流与辐射光强度的关系研究，能用于风电机组落雷电流波形的光学反演。