發(fā)布時(shí)間：2020-10-15 00:26

　　 隨著社會(huì)現(xiàn)代化的快速推進(jìn),對(duì)電力的依賴程度也越來越高。觀測(cè)結(jié)果表明,物體遭受雷擊次數(shù)隨著高度的增加呈現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)高度及數(shù)量的增長(zhǎng),如何對(duì)其進(jìn)行保護(hù)免受雷擊損害,從而保證電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行成為了亟待解決的問題。目前被雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中廣泛采用的電氣幾何模型,由于過分的簡(jiǎn)化和等效雷擊物理過程,從而缺乏明確的物理含義,最終導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際現(xiàn)象間存在有較大的差異。于是對(duì)于目前廣泛存在的問題,本文從閃擊物理過程出發(fā),建立上行先導(dǎo)始發(fā)和發(fā)展模型,針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)得到更準(zhǔn)確的閃擊距離和吸引半徑,為雷電防護(hù)工作提供重要的基礎(chǔ)支撐。本文首先從上行正先導(dǎo)起始的物理過程著手,通過考慮錐形流光莖轉(zhuǎn)化區(qū)域,基于熱動(dòng)力學(xué)模型和能量平衡方程,建立了錐形流光莖-先導(dǎo)熱動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化物理模型。隨后利用上行先導(dǎo)起始和發(fā)展模型,對(duì)上行先導(dǎo)的始發(fā)及通道的發(fā)展情況進(jìn)行了討論。并通過驗(yàn)證后的模型,針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)提出了與觀測(cè)結(jié)果更加吻合的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)計(jì)算方法。最后,利用高壓平臺(tái)開展了風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)對(duì)尖端釋放電暈電荷能力影響的試驗(yàn)。建立了錐形流光莖-先導(dǎo)熱動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化物理模型。利用有限元方法并采用變網(wǎng)格技術(shù),考慮了二次起暈過程,提出了基于熱動(dòng)力學(xué)的上行先導(dǎo)起始條件。研究結(jié)果表明,初始電暈過程中產(chǎn)生的電暈電荷越多,雖然會(huì)加速流光莖-先導(dǎo)的轉(zhuǎn)化過程,但是也會(huì)使空間電荷增多加強(qiáng)屏蔽效應(yīng),導(dǎo)致二次起暈過程的延遲。流光莖-先導(dǎo)的轉(zhuǎn)化時(shí)間對(duì)空氣濕度相當(dāng)敏感,濕度越大轉(zhuǎn)化所耗時(shí)間越短,當(dāng)空氣濕度為20 g/m3時(shí),僅需2 μs即可達(dá)到1500 K的轉(zhuǎn)化溫度,但當(dāng)濕度為5 g/m3時(shí)的轉(zhuǎn)化過程耗時(shí)將會(huì)超過13μs。利用電位畸變法對(duì)二次起暈電荷量進(jìn)行計(jì)算,提出了基于有限元方法的上行先導(dǎo)始發(fā)簡(jiǎn)化模型。通過對(duì)比簡(jiǎn)化模型與物理模型對(duì)于閃擊距離的計(jì)算結(jié)果后發(fā)現(xiàn),當(dāng)建筑物高度為90 m時(shí)最大平均誤差僅為3.61%。隨后,建立了吸引半徑與物體高度以及回?fù)綦娏鲝?qiáng)度之間的關(guān)系表達(dá)式。最終的計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)高大建筑物發(fā)生閃擊時(shí),電氣幾何模型計(jì)算結(jié)果存在較大誤差,僅能適用于低矮建筑物。模擬分析了上行正先導(dǎo)的發(fā)展過程,建立了適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷擊吸引半徑的計(jì)算方法。通過將觀測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明模擬的上行先導(dǎo)速度及通道長(zhǎng)度與觀測(cè)值保持一致,因此模型的可靠性和準(zhǔn)確性得到了驗(yàn)證。隨后討論了回?fù)綦娏鲝?qiáng)度、梯級(jí)先導(dǎo)發(fā)展速度和通道相對(duì)位置等因素對(duì)上行先導(dǎo)發(fā)展的影響,并得到了不同條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)的吸引半徑。研究結(jié)果表明,上行先導(dǎo)通道長(zhǎng)度負(fù)相關(guān)于梯級(jí)先導(dǎo)發(fā)展速度,當(dāng)梯級(jí)先導(dǎo)速度為1×105 m/s時(shí)上行先導(dǎo)通道的最終長(zhǎng)度可達(dá)134.79m,速度增長(zhǎng)到1×1O6m/s時(shí)通道長(zhǎng)度僅為32.40m。而當(dāng)回?fù)綦娏鲝?qiáng)度為15 kA時(shí)上行先導(dǎo)發(fā)展的最大速度為7.8×104m/s,回?fù)綦娏鲝?qiáng)度增加到50 kA時(shí)上行先導(dǎo)發(fā)展的最大速度可達(dá)到1.8×105m/s。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),本文建立的模型預(yù)測(cè)的吸引半徑較大于電氣幾何模型結(jié)果,二者相差77.03%;而當(dāng)回?fù)綦娏鲝?qiáng)度較小時(shí),兩者仍然存在著41.14%的差異�？紤]了上行正先導(dǎo)對(duì)閃電連接過程的影響,建立了風(fēng)機(jī)等效截收面積的一種新的計(jì)算方法。通過將計(jì)算得到的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)與觀測(cè)統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明模型結(jié)果與觀測(cè)平均值(0.7761次/年)間僅存在-7.1%的差異,驗(yàn)證了風(fēng)力發(fā)電機(jī)年雷擊概率計(jì)算模型準(zhǔn)確性。對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)角度的變化、不同梯級(jí)先導(dǎo)發(fā)展速度以及回?fù)綦娏鞣逯祻?qiáng)度對(duì)等效截收面積帶來的影響也進(jìn)行了相應(yīng)的討論。結(jié)果表明,IEC 61400規(guī)范中提出的等效截收面積計(jì)算方法,未包含物理根據(jù)過分夸大了等效截收面積。而IEC 62305規(guī)范中的閃擊距離由于未考慮上行先導(dǎo)通道,從而導(dǎo)致得到的等效截收面積較小。本方法與IEC閃擊距離計(jì)算方案得到的等效截收面積之間存在較大的差異,最大可達(dá)313.12%。利用高壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái),研究了葉片旋轉(zhuǎn)對(duì)風(fēng)機(jī)尖端電暈放電特征的影響。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致電暈屏蔽層結(jié)構(gòu)的改變,通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明,靜態(tài)下葉片旋轉(zhuǎn)角度為0°時(shí)向周圍空間釋放電暈電荷的能力最強(qiáng),并隨著轉(zhuǎn)動(dòng)角度增大釋放的電荷量逐漸減小,之間的差異在10,3%至16.2%間變化。由于葉片旋轉(zhuǎn)致使葉片尖端的局部電場(chǎng)增強(qiáng),使得其向空間釋放電暈電荷的能力增強(qiáng),從而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下測(cè)量到的電暈電流強(qiáng)度大于靜態(tài)下的平均值。
【學(xué)位單位】：南京信息工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM315
【部分圖文】：

不同的吸引半徑計(jì)算方案可得到特定的保護(hù)范圍。為了能夠得到更加，研宄者們一直試圖通過不同的研宄方法得到更為有效的雷電防護(hù)模直擊雷防護(hù)技術(shù)進(jìn)展??十世紀(jì)早期，為了保護(hù)架空輸電線路中的相線免遭雷擊。研宄者們法（Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ?Ａｎｇｌｅ?Ｍｅｔｈｏｄ）來對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行雷電防護(hù)，該方法認(rèn)（避雷針、避雷線）與地面以一個(gè)固定角度形成的空間內(nèi)，可以免遭一直以來，研宄者們嘗試通過使用縮比模型在高壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行沖擊設(shè)備的保護(hù)角范圍［Ｇｏｌｄｅ，１９７７］。折線法的保護(hù)角度根據(jù)使用縮比模型不同，所得到的保護(hù)角范圍在２０至７５度［Ｗａｇｎｅｒ?ｅｔ?ａｌ．，１９４１］。隨后由］將折線法中的保護(hù)角進(jìn)行了形式上的統(tǒng)一，并且作為電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)算方法一直沿用至今［ＩＥＥＥ，１９９６］。??

防護(hù)計(jì)算方法一直沿用至今［ＩＥＥＥ，１９９６］。??／魯＼??圖１－１：折線法保護(hù)角示意圖??隨著研究不斷地深入，電氣幾何模型（Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ?Ｍｅｔｈｏｄ）作為一種效果??更佳的方法而被提出用來取代折線法［Ｙｏｕｎｇ?ｅｔａｌ．，?１９６３］。該方法認(rèn)為計(jì)算避雷設(shè)施的??保護(hù)范圍是與雷電回?fù)綦娏鞣逯迪嚓P(guān)的問題。Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ?ｅｔ?ａｌ．［?１９６８］將提出的電氣幾何??理論用于提高架空輸電線的雷電防護(hù)效果，如被保護(hù)物體與梯級(jí)先導(dǎo)頭部之間的距離??小于ｒｓ時(shí)即認(rèn)為此處遭受到雷擊。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室中棒－棒間隙擊穿試驗(yàn)的深入研究得到??７ｒｓ的取值，得到了＆與回?fù)綦娏鞣逯担鹬g的解析關(guān)系式ｒｓ?＝?ａ／ｐｂ。隨后重新校準(zhǔn)了??３??

圖１－３：引雷空間法示意圖??隨后Ｄｅｌｌｅｒａ?ａｎｄ?Ｇａｒｂａｇｎａｔｉ?［１９９０ａ，?１９９０ｂ］基于靜電場(chǎng)迭代計(jì)算提出了更加精確的??
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