CN109670205A - 一种用于风力发电厂的防雷评价系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于风力发电厂的防雷评价系统。为了克服现有防雷试验检测不能对风力发电厂防雷装置的防雷效果的有效性和安全性进行良好反映的缺陷。本发明主要包括5个模块：参数输入模块、防雷建模模块、雷击特性仿真模块、雷击后过电压特性仿真评价模块和绝缘优化及评价报告生成模块。首先建立风力发电厂的地形、风机、线路、杆塔、避雷器、接地系统的模型，在此基础上对风力发电厂的雷击特性进行仿真，并对风力发电厂雷击后过电压特性进行仿真，完成对风力发电厂防雷效果系统性的评价。本发明可以对风电场防雷效果进行系统性的完整评价，提高风电场的安全性和可靠性，减少因雷击导致的设备损坏事故，提高风电场的发电量，增加风电场经济收入。

Description

一种用于风力发电厂的防雷评价系统
技术领域
本发明涉及一种用于风力发电厂的防雷评价系统，具体的是说，是对风力发电厂的防雷装置进行效果评估的系统。
背景技术
随着风力发电机组的装机容量持续上升，风力发电厂的规模持续扩大，对风力发电厂运行的可靠性提出了更高的要求。造成风力发电厂非正常运行的原因有很多，其中雷电造成风力发电厂的停运与设备损坏比例较高。因此，对于风力发电厂进行防雷保护是十分必要的，但风力发电厂的防雷问题有如下特点：风力发电机组结构高耸；风机多建于旷野等易遭受雷击的地带；风机的桨叶、机舱外壳等材质均为复合材料，耐雷水平低；风机桨叶是旋转的；雷电流在通过风机流入大地的过程中会流经风机中大部分器件；风力发电厂中的各风机都是互联的而且多建于土壤电阻率高的地带。现在风力发电厂的防雷评价，主要依据火电厂的防雷设计规范和防雷试验检测，对整个风力发电厂防雷雷电系统特性评价的评价系统很少，导致国内外的风力发电厂因雷击导致机组停运和设备损坏的事故频发，雷击造成设备损坏产生了高额的维修费用，同时，雷电击中风电机组所造成的风电机组停运，使发电量减少，造成经济损失。
发明内容
为了克服现存的防雷试验检测不能对风力发电厂防雷装置的防雷效果的有效性和安全性进行良好反映的缺点，本发明提供了一种用于风力发电厂的防雷评价系统，首先建立风力发电厂的地形、风机、线路、杆塔、避雷器、接地系统的模型，在此基础上对风力发电厂的雷击特性进行仿真，并对风力发电厂雷击后过电压特性进行仿真，完成对风力发电厂防雷效果系统性的评价。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种用于风力发电厂的防雷评价系统，其特征在于，主要包括5个模块：参数输入模块、防雷建模模块、雷击特性仿真模块、雷击后过电压特性仿真评价模块和绝缘优化及评价报告生成模块。
在参数输入模块中：风力发电厂评价人员进行待评价风力发电厂参数编辑输入，包括：输入风力发电厂所在地的雷电特征参数的数据编辑、风力发电机组参数(塔桶参数、地形参数、桨叶参数、土壤电阻率参数、控制回路参数)数据编辑、风力发电厂集电线路参数(电气参数、线路机械参数、杆塔机械参数、地形位置参数、避雷线参数、绝缘子串的耐压参数)编辑、避雷器参数(电气参数、伏秒特性参数)编辑以及被保护设备电气参数(电气参数、接线参数、伏秒特性参数)编辑。
在防雷建模模块中：建立雷电流及雷电通道模型、风机模型(包括桨叶、塔筒、轴承及各连接部分)、风力发电厂接地系统模型、场内输电线路及电缆线路模型、场内避雷器电气特性模型、场地地形参数模型、变压器模型；最后组合成三个大模型包括：输电系统部分模型、风力发电机组模型和雷电流模型。
在雷击特性仿真模块中：(1)基于先导发展物理过程对风力发电厂输电部分的雷击特性进行仿真计算；(2)对风电发电机组的雷击特性进行仿真分析。
在雷击后过电压特性仿真评价模块中：对风力发电厂系统布局、回路参数、设备等效电路参数等对雷击条件下过电压的影响的仿真评价；对风机塔筒参数、线路杆塔参数、接地网结构、土壤条件等参数对雷击杆塔条件下地电位升的影响仿真评价；对避雷器在不同雷电流条件下的残压特性仿真评价。
在绝缘优化及评价报告生成模块中：对不同避雷器配置方案对雷击条件下过电压分布的抑制效果影响的仿真，并就前面的仿真评价和优化建议生成报告。
其中所述的参数输入模块的工作原理是：采用三维图形编辑模式编辑风力发电厂风机参数、地形参数和输电线路参数等。
防雷建模模块，主要的工作原理是：(1)风力发电机组的建模：将塔筒用线网结构划分成一定数量的分支导体,每一个分支导体等效为一个π型电路,并且各参数之间存在感性和容性耦合。桨叶用垂直的非均匀传输线进行建模,将其分段后,各段视为一个无耦合的π型电路,整个桨叶等效为一个链型电路，用电容建立主轴承的电路模型，利用一系列链型电路反映了接地体的分布参数特性,同时利用接地导体在泄散雷电流时等值半径和等值深度的变化反映了土壤非线性电离的特性，按它们在机组中固有的电气贯通方式加以联接，建立整个机组的雷电暂态等值电路模型。(2)输电系统建模模块：杆塔绝缘子串使用伏秒特性，杆塔使用波阻抗结合冲击接地电阻式模型，集电线路主要采用均匀传输线模型，变压器采用绕组模型。(3)雷电模型：双指数函数来描述雷电流，公式为I＝KIm(I-αt-I-βt)。
雷击特性仿真模块的工作原理：(1)输电系统部分的立即特性仿真分析，主要的工作原理采用首先利用上述建立的，然后采用先导发展物理过程的工作原理进行仿真分析，具体原理如下：以雷特-米克判据判断流注起始。雷特假设电子崩中电子都集中在电子崩头部的一个球体中，以x表示电子崩长度，在均匀电场E中的电子数为eαx。电子球体表面的电场为：式中，qe是电子电荷；α为电子碰撞电离系数；r是球半径。根据电子的扩散方程可求得，电子崩头的半径估计为：式中，D为电子扩散系数；t为从x＝0到x＝x的时间，如下：又根据爱因斯坦公式，有：且电子能量为：可以得到电子球面电场为：假设电子崩长发展到一定程度xc，变成“临界”长度，超过这一长度则认为电子崩可以发展成流注。根据雷特公式可求得临界长度：当电子崩长度发展到临界长度时，发展成流注放电。对于长间隙放电而言，当流注发展到足够的长度后，将有较多的电子循着通道流向电极，通过通道根部的电子最多，流注根部温度升高，出现热电离过程，电离加速，电导增大。当外加电压超过连续先导的起始电压时，出现先导通道。为了便于建立雷电绕击先导发展物理模型，认为只要避雷线和导线表面的电场强度大小满足其上行先导起始条件时，避雷线和导线表面就开始产生迎面的上行先导。本方案可以进一步假设两者表面上的迎面上行先导在各自向上发展的过程中相互不产生影响。由下行先导和迎面上行先导的相对发展以及最后跃变的过程可以确定雷击点的位置，理论上来说最先与下行先导满足最后跃变条件的上行先导会成为雷击点，被雷电击中的目的物表面也有可能不会产生迎面上行先导，只要下行先导发展到其头部与该物体之间的平均场强达到间隙击穿场强时，雷电就会击中该物体。
(2)风机机组部分雷击特性仿工作原理：利用上面建立的“塔筒-传输线”模型，通过这一模型可以仿真计算得出雷电流经塔体入地过程中的暂态电压规律，求解各单元电路中流过的暂态雷电流，再根据电磁场的理论知识根据在暂态变化的电流求出空间的暂态磁场分布。在雷电击中风机后，雷电流沿塔筒注入风力发电厂接地网的过程中会造成地电位的抬升，地电位的抬升同样会造成风机塔体内设备的损坏，将造成严重的后果。通过建立相关的风力发电厂接地网模型，对雷击暂态过电压进行了计算分析。
雷击后过电压特性仿真评价模块工作原理是：基于雷击特性仿真模块得到的雷击特性计算分析结果，针对不同雷电流幅值及雷击位置下，通过系统等效电路建模，对风力发电厂主设备绝缘、线路绝缘子处的电压分布进行仿真计算，获得雷击条件下各节点上的电压分布特性；根据避雷器的残压特性参数；通过比较电压分布特性以及绝缘配置，综合评估风力发电厂防雷效果和绝缘配合效果。
绝缘优化及评价报告生成模块工作原理是：不同避雷器配置方案进行仿真计算，研究不同配置方案对过电压抑制效果的影响，最后对上述的模块的评价结果生成完整的技术报告，生成对风力发电厂绝缘配合提出优化设计方案。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：通过对风电的风电场进行避雷特性的建模、风电场雷击特性仿真评价、风电场雷击后过电压特性仿真评价。可以对风电场防雷效果进行系统性的完整的评价，将提高风电场的安全性和可靠性，减少因雷击导致的设备损坏事故，提高风电场的发电量，增加风电场经济收入。
附图说明
图1是本发明实施例中用于风力发电厂的防雷评价系统的模块组成示意图。
图2是本发明实施例中风电厂参数输入模块的工作原理示意图。
图3是本发明实施例中风电厂防雷建模模块的工作原理示意图。
图4是本发明实施例中输电系统部分的雷击特性仿真分析流程图。
图5是本发明实施例中风力发电机机组部分的雷击特性仿真分析流程图。
图6是本发明实施例中风电厂雷击后过电压特性仿真评价流程图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例。
如图1所示，本实施例中的用于风力发电厂的防雷评价系统，主要包括5个模块：参数输入模块、防雷建模模块、雷击特性仿真模块、雷击后过电压特性仿真评价模块和绝缘优化及评价报告生成模块。
如图2所示，参数输入模块的工作原理是：主要是风力发电厂评价人员进行待评价风力发电厂参数编辑输入，包括：输入风力发电厂所在地的雷电特征参数的数据编辑、风力发电机组参数(塔桶参数、地形参数、桨叶参数、土壤电阻率参数、控制回路参数)数据编辑、风力发电厂集电线路参数(电气参数、线路机械参数、杆塔机械参数、地形位置参数、避雷线参数、绝缘子串的耐压参数)编辑、避雷器参数(电气参数、伏秒特性参数)编辑以及被保护设备电气参数(电气参数、接线参数、伏秒特性参数)编辑。
如图3所示，防雷建模模块，将上面的参数主要分为三类，按照这三类输入的参数进行建模：(1)风力发电机组的建模：将塔筒用线网结构划分成一定数量的分支导体,每一个分支导体等效为一个π型电路,并且各参数之间存在感性和容性耦合。桨叶用垂直的非均匀传输线进行建模,将其分段后,各段视为一个无耦合的π型电路,整个桨叶等效为一个链型电路，用电容建立主轴承的电路模型，利用一系列链型电路反映了接地体的分布参数特性,同时利用接地导体在泄散雷电流时等值半径和等值深度的变化反映了土壤非线性电离的特性，按它们在机组中固有的电气贯通方式加以联接，建立整个机组的雷电暂态等值电路模型。(2)输电系统建模模块：杆塔绝缘子串使用伏秒特性，杆塔使用波阻抗结合冲击接地电阻式模型，集电线路主要采用均匀传输线模型，变压器采用绕组模型。(3)雷电模型：双指数函数来描述雷电流，公式为I＝KIm(I-αt-I-βt)。
雷击特性仿真模块的工作原理：主要分为两类：(1)输电系统部分的立即特性仿真分析，如图4所示，主要的工作原理采用首先利用上述建立的，然后采用先导发展物理过程的工作原理进行仿真分析，具体原理如下：以雷特-米克判据判断流注起始。雷特假设电子崩中电子都集中在电子崩头部的一个球体中，以x表示电子崩长度，在均匀电场E中的电子数为eαx。电子球体表面的电场为：式中，qe是电子电荷；α为电子碰撞电离系数；r是球半径。根据电子的扩散方程可求得，电子崩头的半径估计为：式中，D为电子扩散系数；t为从x＝0到x＝x的时间，如下：又根据爱因斯坦公式，有：且电子能量为：可以得到电子球面电场为：假设电子崩长发展到一定程度xc，变成“临界”长度，超过这一长度则认为电子崩可以发展成流注。根据雷特公式可求得临界长度：当电子崩长度发展到临界长度时，发展成流注放电。对于长间隙放电而言，当流注发展到足够的长度后，将有较多的电子循着通道流向电极，通过通道根部的电子最多，流注根部温度升高，出现热电离过程，电离加速，电导增大。当外加电压超过连续先导的起始电压时，出现先导通道。为了便于建立雷电绕击先导发展物理模型，认为只要避雷线和导线表面的电场强度大小满足其上行先导起始条件时，避雷线和导线表面就开始产生迎面的上行先导。本方案可以进一步假设两者表面上的迎面上行先导在各自向上发展的过程中相互不产生影响。由下行先导和迎面上行先导的相对发展以及最后跃变的过程可以确定雷击点的位置，理论上来说最先与下行先导满足最后跃变条件的上行先导会成为雷击点，被雷电击中的目的物表面也有可能不会产生迎面上行先导，只要下行先导发展到其头部与该物体之间的平均场强达到间隙击穿场强时，雷电就会击中该物体。
(2)风机机组部分雷击特性仿工作原理：利用上面建立的“塔筒-传输线”模型，通过这一模型可以仿真计算得出雷电流经塔体入地过程中的暂态电压规律，如图5所示，求解各单元电路中流过的暂态雷电流，再根据电磁场的理论知识根据在暂态变化的电流求出空间的暂态磁场分布。在雷电击中风机后，雷电流沿塔筒注入风力发电厂接地网的过程中会造成地电位的抬升，地电位的抬升同样会造成风机塔体内设备的损坏，将造成严重的后果。通过建立相关的风力发电厂接地网模型，对雷击暂态过电压进行了计算分析。
如图6所示，雷击后过电压特性仿真评价模块工作原理是：基于雷击特性仿真模块得到的雷击特性计算分析结果，针对不同雷电流幅值及雷击位置下，通过系统等效电路建模，对风力发电厂主设备绝缘、线路绝缘子处的电压分布进行仿真计算，获得雷击条件下各节点上的电压分布特性；根据避雷器的残压特性参数；通过比较电压分布特性以及绝缘配置，综合评估风力发电厂防雷效果和绝缘配合效果。
绝缘优化及评价报告生成模块工作原理是：不同避雷器配置方案进行仿真计算，研究不同配置方案对过电压抑制效果的影响，最后对上述的模块的评价结果生成完整的技术报告，生成对风力发电厂绝缘配合提出优化设计方案。
虽然本发明以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于风力发电厂的防雷评价系统，其特征在于，包括参数输入模块、防雷建模模块、雷击特性仿真模块、雷击后过电压特性仿真评价模块和绝缘优化及评价报告生成模块；在参数输入模块中：风力发电厂评价人员进行待评价风力发电厂参数编辑输入，包括：输入风力发电厂所在地的雷电特征参数的数据编辑、风力发电机组参数数据编辑、风力发电厂集电线路参数编辑、避雷器参数编辑和被保护设备电气参数编辑；在防雷建模模块的中：建立雷电流及雷电通道模型、风机模型、风力发电厂接地系统模型、场内输电线路及电缆线路模型、场内避雷器电气特性模型、场地地形参数模型和变压器模型，建立的模型组合成三个大模型包括：输电系统部分模型、风力发电机组模型和雷电流模型；在雷击特性仿真模块中：(1)基于先导发展物理过程对风力发电厂输电部分的雷击特性进行仿真计算；(2)对风电发电机组的雷击特性进行仿真分析；在雷击后过电压特性仿真评价模块中：对风力发电厂系统布局、回路参数以及设备等效电路参数对雷击条件下过电压的影响的仿真评价，对风机塔筒参数、线路杆塔参数、接地网结构以及土壤条件参数对雷击杆塔条件下地电位升的影响仿真评价，对避雷器在不同雷电流条件下的残压特性仿真评价；在绝缘优化及评价报告生成模块中：对不同避雷器配置方案对雷击条件下过电压分布的抑制效果影响的仿真，并就前面的仿真生成评价报告和优化建议报告。
2.根据权利要求1所述的用于风力发电厂的防雷评价系统，其特征在于，所述参数输入模块采用三维图形编辑模式编辑风力发电厂风机参数、地形参数以及输电线路参数。
3.根据权利要求1所述的用于风力发电厂的防雷评价系统，其特征在于，所述防雷建模模块包括：(1)风力发电机组的建模：将塔筒用线网结构划分成一定数量的分支导体，每一个分支导体等效为一个π型电路，并且各参数之间存在感性和容性耦合；桨叶用垂直的非均匀传输线进行建模，将其分段后，各段视为一个无耦合的π型电路，整个桨叶等效为一个链型电路；用电容建立主轴承的电路模型，利用一系列链型电路反映接地体的分布参数特性，同时利用接地导体在泄散雷电流时等值半径和等值深度的变化反映土壤非线性电离的特性，按它们在机组中固有的电气贯通方式加以联接，建立整个机组的雷电暂态等值电路模型；(2)输电系统建模模块：杆塔绝缘子串使用伏秒特性，杆塔使用波阻抗结合冲击接地电阻式模型，集电线路主要采用均匀传输线模型，变压器采用绕组模型；(3)雷电模型：双指数函数来描述雷电流，公式为I＝KIm(I-αt-I-βt)。
4.根据权利要求1所述的用于风力发电厂的防雷评价系统，其特征在于，所述雷击特性仿真模块包括：(1)输电系统部分的立即特性仿真分析，采用先导发展物理过程的工作原理进行仿真分析，具体原理如下：以雷特-米克判据判断流注起始，雷特假设电子崩中电子都集中在电子崩头部的一个球体中，以x表示电子崩长度，在均匀电场E中的电子数为eαx，电子球体表面的电场为：式中，qe是电子电荷，α为电子碰撞电离系数，r是球半径；根据电子的扩散方程求得，电子崩头的半径为：式中，D为电子扩散系数；t为从x＝0到x＝x的时间，如下：又根据爱因斯坦公式，有：且电子能量为：得到电子球面电场为：假设电子崩长发展到一定程度xc，变成“临界”长度，超过这一长度则认为电子崩可以发展成流注；根据雷特公式求得临界长度：当电子崩长度发展到临界长度时，发展成流注放电；对于长间隙放电而言，当流注发展到足够的长度后，将有较多的电子循着通道流向电极，通过通道根部的电子最多，流注根部温度升高，出现热电离过程，电离加速，电导增大；当外加电压超过连续先导的起始电压时，出现先导通道；为了便于建立雷电绕击先导发展物理模型，认为只要避雷线和导线表面的电场强度大小满足其上行先导起始条件时，避雷线和导线表面就开始产生迎面的上行先导；本方案能进一步假设两者表面上的迎面上行先导在各自向上发展的过程中相互不产生影响；由下行先导和迎面上行先导的相对发展以及最后跃变的过程确定雷击点的位置，理论上来说最先与下行先导满足最后跃变条件的上行先导会成为雷击点，被雷电击中的目的物表面也有可能不会产生迎面上行先导，只要下行先导发展到其头部与该物体之间的平均场强达到间隙击穿场强时，雷电就会击中该物体；(2)风机机组部分雷击特性仿工作原理：利用上面建立的“塔筒-传输线”模型，通过这一模型仿真计算得出雷电流经塔体入地过程中的暂态电压规律，求解各单元电路中流过的暂态雷电流，再根据电磁场的理论知识根据在暂态变化的电流求出空间的暂态磁场分布；在雷电击中风机后，雷电流沿塔筒注入风力发电厂接地网的过程中会造成地电位的抬升，地电位的抬升同样会造成风机塔体内设备的损坏，将造成严重的后果；通过建立相关的风力发电厂接地网模型，对雷击暂态过电压进行了计算分析。
5.根据权利要求4所述的用于风力发电厂的防雷评价系统，其特征在于，所述雷击后过电压特性仿真评价模块的工作原理是：基于雷击特性仿真模块仿真得到的雷击特性计算分析结果，针对不同雷电流幅值及雷击位置下，通过系统等效电路建模，对风力发电厂主设备绝缘、线路绝缘子处的电压分布进行仿真计算，获得雷击条件下各节点上的电压分布特性；根据避雷器的残压特性参数，通过比较电压分布特性以及绝缘配置，综合评估风力发电厂防雷效果和绝缘配合效果。
6.根据权利要求1所述的用于风力发电厂的防雷评价系统，其特征在于，所述绝缘优化及评价报告生成模块的工作原理是：不同避雷器配置方案进行仿真计算，研究不同配置方案对过电压抑制效果的影响，最后对评价结果生成完整的技术报告，生成对风力发电厂绝缘配合提出优化设计方案。
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