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风电机组电气设备雷击瞬态接地特性及差异化防护

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船舶工程 2023年第S2期45卷 32-36页

作者：吕彬向念文黄胜鑫杜炜杨翠玲任春晖中船海装风电有限公司重庆401120 合肥工业大学电气与自动化工程学院合肥230009

风电机组电气设备直接或间接与接地系统相连,风机遭受雷击时需要对两者电位差提出差异化防护建议。结合矩量法给出风电机组的模块化雷击瞬态计算模型,针对雷击叶片或机舱避雷针时接地路径上电位分布找到雷击薄弱点,重点对机舱内电气设... 详细信息

风电机组电气设备直接或间接与接地系统相连,风机遭受雷击时需要对两者电位差提出差异化防护建议。结合矩量法给出风电机组的模块化雷击瞬态计算模型,针对雷击叶片或机舱避雷针时接地路径上电位分布找到雷击薄弱点,重点对机舱内电气设备、塔筒内机柜以及控制电缆提出差异性防护措施和建议:建议机舱内所有电气设备外壳和底板添加等电位连接线,显著降低两者电位差约90.7%;建议增加机舱内表面金属网格至8×8个,电磁场强度最大可降低83.71%,有效避免机舱内闭合电路产生耦合电流;建议控制电缆机舱端和塔底端双端接地,电缆的芯皮电位差可控制在2 kV以内;建议塔筒内机柜位于塔筒高度的1/3位置,并尽可能改善土壤接地环境以降低泄流时机柜接地电位。

关键词：接地系统海上风电等电位连接雷击瞬态差异化防护

接地网腐蚀诊断及腐蚀对接地网性能影响评估方法研究

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接地网腐蚀诊断及腐蚀对接地网性能影响评估方法研究

作者：黄胜鑫重庆大学

学位级别：硕士

腐蚀是造成接地网性能劣化的重要原因。接地网的腐蚀诊断包括腐蚀断点诊断和构成接地网的导体段腐蚀程度诊断两个方面。目前,两个方面均缺乏有效的诊断方法。针对接地网腐蚀断点诊断存在的“引线依赖”问题,论文提出了磁性源诊断方法。... 详细信息

腐蚀是造成接地网性能劣化的重要原因。接地网的腐蚀诊断包括腐蚀断点诊断和构成接地网的导体段腐蚀程度诊断两个方面。目前,两个方面均缺乏有效的诊断方法。针对接地网腐蚀断点诊断存在的“引线依赖”问题,论文提出了磁性源诊断方法。该方法通过地表两个水平磁偶极子在接地网导体中激发感应电流,并检测感应电流激发的二次磁场判断是否存在断点。该方法具有诊断时无需与接地网接触、限制条件少的优点。针对接地网导体段腐蚀程度诊断方法缺乏的现状,论文基于改进弱极化法提出了接地网腐蚀程度监测方案。根据相同材料在同一土壤区域具有相同腐蚀状况的规律,以测试电极腐蚀状况反映被监测导体段的腐蚀状况。监测方案中的三电极系统结构简单、便于安装。现场实验表明,提出的方案可有效诊断接地网各导体段的腐蚀程度。在获得接地网腐蚀断点和各导体段腐蚀程度信息后,需要评估腐蚀对接地网性能影响的严重程度,为制定检修计划和策略提供决策依据。目前,尚无接地网腐蚀状态评估的相关研究工作见诸文献。论文借助改进Freschi模型,对接地网性能腐蚀劣化机理进行了数学分析。在此基础上,论文提出了定量评估腐蚀对接地网性能影响的思路和流程。论文依据腐蚀诊断获得的腐蚀断点信息和各导体段的腐蚀程度信息确定改进Freschi模型中的R矩阵和g矩阵,利用改进Freschi模型计算接地网在当前腐蚀状态下的特性参数,比较当前的特性参数值与设计时的指标值,从而定量评估腐蚀对接地网性能影响的严重程度。在计算当前状态下接地网的特性参数时,需计及接地网现时腐蚀状态。论文提出了基于接地网导体段腐蚀状态信息库的导体段腐蚀程度计及方法。在获得导体段腐蚀程度后,可通过检索信息库确定导体段的现时散流能力,并将其反应在改进Freschi模型的R矩阵中,从而实现导体段腐蚀程度的计及。此外,针对发、变电站接地网状态评估,论文还基于层次分析法,建立了综合考虑多个特性参数的接地网腐蚀状态评估模型。

关键词：接地网状态评估腐蚀特性参数诊断

±1100 kV特高压直流线路无间隙线路避雷器雷电防护适用性研究

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电瓷避雷器 2023年第6期 126-137页

作者：顾建伟余辉陈维江黄胜鑫何天宇边凯时卫东中国电力科学研究院有限公司北京100192 水电水利规划设计总院北京100120 国家电网公司北京100031 电力规划设计总院北京100120

为抑制操作过电压,昌吉-古泉±1 100 kV特高压直流输电线路在线路中部安装多对无间隙避雷器,但针对无间隙避雷器兼顾雷电防护适用性的研究较少。本研究基于EMTP-ATP建立了雷电过电压瞬态传播模型,计算了特高压直流线路的雷击闪络率,分... 详细信息

为抑制操作过电压,昌吉-古泉±1 100 kV特高压直流输电线路在线路中部安装多对无间隙避雷器,但针对无间隙避雷器兼顾雷电防护适用性的研究较少。本研究基于EMTP-ATP建立了雷电过电压瞬态传播模型,计算了特高压直流线路的雷击闪络率,分析了避雷器对雷电过电压的抑制效果和保护范围。结果显示无间隙避雷器对雷电过电压幅值、波形存在抑制作用,安装避雷器后,线路绕、反击耐雷水平增加。未加装避雷器的邻近杆塔依旧可发生雷击闪络,避雷器只可保护加装级杆塔。本研究基于计算结果提出了无间隙线路避雷器的优化配置原则,建议在满足操作过电压抑制要求的前提下,适当调整避雷器至地面倾角大于15°的中、高雷区、接地电阻较大的杆塔上。

关键词： ±1100 kV特高压直流无间隙避雷器保护范围雷击闪络雷电过电压

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避雷针端部曲率半径对雷击接闪效能的影响

高电压技术 2022年第9期48卷 3636-3642页

作者：裴哲浩陈维江陈家宏向念文殷禹丁立健傅中张乔根黄胜鑫顾建伟傅毓斐樊星章志远西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049 国家电网公司北京100031 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司武汉430074 合肥工业大学电气与自动化工程学院合肥230009 中国电力科学研究院北京100085 国网安徽电力科学研究院合肥230001 华中科技大学强电磁与新技术国家重点实验室武汉430074

通常认为避雷针端部曲率半径越小,端部附近电场越强,雷击接闪效能越强;一些学者认为不同高度避雷针端部曲率半径对接闪效能的影响不同;还有学者则认为曲率半径对接闪效能没有影响。因此,研究避雷针端部曲率半径是否影响其雷击接闪效能... 详细信息

通常认为避雷针端部曲率半径越小,端部附近电场越强,雷击接闪效能越强;一些学者认为不同高度避雷针端部曲率半径对接闪效能的影响不同;还有学者则认为曲率半径对接闪效能没有影响。因此,研究避雷针端部曲率半径是否影响其雷击接闪效能对新型避雷针的设计研发和工程应用具有指导意义。论文开展了针–板间隙下不同曲率半径避雷针流注放电与先导放电模拟实验,结合实验室针–板间隙和避雷针–雷云超长间隙放电的空间电场计算,对曲率半径是否影响避雷针迎面流注和迎面先导接闪效能进行了分析。结果表明,不同曲率半径下避雷针流注放电起始时刻差异<0.22μs,发展速度差异<5%;当曲率半径小于临界半径时,避雷针连续稳定先导起始时刻差异<1.27μs,发展速度差异小于5%;自然雷电环境下,避雷针端部曲率半径的变化仅对端部附近区域电场产生影响。研究表明,避雷针端部曲率半径对其雷击接闪效能几乎不产生影响。

关键词：曲率半径雷击接闪效能临界半径迎面流注放电迎面先导放电避雷针

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风力发电机组下行雷击风险计算方法

中国电机工程学报 2019年第12期39卷 3541-3550页

作者：黄胜鑫陈维江贺恒鑫边凯向念文时卫东何天宇顾建伟傅中中国电力科学研究院有限公司北京市海淀区100192 国家电网公司北京市西城区100031 强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学) 湖北省武汉市430074 合肥工业大学电气与自动化工程学院安徽省合肥市230009 国网安徽省电力公司电力科学研究院安徽省合肥市230022

风力发电机组年雷击事故次数是评估机组雷击防护水平、指导机组雷击防护系统设计和优化的重要指标。机组年雷击事故次数与机组年雷击次数有关。目前,广泛应用IEC标准中推荐的经验公式进行机组下行雷击风险评估。IEC推荐方法脱离雷击物... 详细信息

风力发电机组年雷击事故次数是评估机组雷击防护水平、指导机组雷击防护系统设计和优化的重要指标。机组年雷击事故次数与机组年雷击次数有关。目前,广泛应用IEC标准中推荐的经验公式进行机组下行雷击风险评估。IEC推荐方法脱离雷击物理过程,无法反映雷电流幅值、机组几何形状等因素对机组雷击截收区域面积的影响。该文提出了一种基于自洽先导起始发展模型的风力发电机组下行雷击风险计算方法,该方法可以体现雷击接闪物理过程。验证计算表明方法计算所得机组年负极性下行雷击次数相比IEC推荐方法的计算结果更接近观测获得的机组实际年负极性下行雷击次数。利用该方法,进一步计算获得了机组容量与机组下行雷击风险之间的定量关系,并讨论了叶片旋转对机组下行雷击风险的影响。

关键词：风力发电机组下行雷击风险自洽先导起始发展模型机组年雷击次数

密闭空间中温度对SF6/N2混合气体工频击穿电压的影响规律

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中国电机工程学报 2019年第15期39卷 4589-4598页

作者：郑宇周文俊陈维江颜湘莲李志兵黄胜鑫武汉大学电气与自动化学院湖北省武汉市430072 国家电网有限公司北京市西城区100031 中国电力科学研究院有限公司北京市海淀区100192

气体绝缘组合电器会遇到不同的环境温度,为优化SF6/N2混合气体设备的设计,研究SF6/N2混合气体在工频电压下的击穿电压随温度的变化规律,并分析温度对气体绝缘性能的影响机理。首先分析SF6气体中的电子崩发展过程,发现温度降低导致SF6的... 详细信息

气体绝缘组合电器会遇到不同的环境温度,为优化SF6/N2混合气体设备的设计,研究SF6/N2混合气体在工频电压下的击穿电压随温度的变化规律,并分析温度对气体绝缘性能的影响机理。首先分析SF6气体中的电子崩发展过程,发现温度降低导致SF6的附着反应减弱,从而降低其绝缘性能。为验证理论分析,通过试验得到-50℃、-35℃、-18℃、20℃四个温度下,稍不均匀和极不均匀电场中SF6/N2混合气体的工频击穿电压。发现在稍不均匀电场中,从20℃降低到-50℃时,SF6/N2混合气体的击穿电压降低约10%,在极不均匀电场中降低约12%。与SF6的试验结果对比发现,稍不均匀电场中SF6的击穿电压随温度下降更显著,但极不均匀电场中SF6/N2混合气体的击穿电压随温度下降更明显。考虑导体温升,进一步对比了100℃高温下的情况,发现在-50℃至100℃温度范围内,SF6/N2混合气体的工频击穿电压随温度升高呈非线性增大趋势,试验现象验证了理论分析。为补偿极寒条件下SF6/N2混合气体的绝缘性能,应适当提高混合气体充气密度或提高SF6比例。

关键词：气体绝缘低温应用混合气体气体放电附着反应

风力发电机叶片叶尖段外覆导体接闪系统的雷击防护性能研究

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中国电机工程学报 2018年第18期38卷 5316-5325页

作者：何天宇陈维江贺恒鑫时卫东边凯李新凯向念文黄胜鑫顾建伟傅中中国电力科学研究院有限公司北京市海淀区100192 国家电网公司北京市西城区100031 华中科技大学湖北省武汉市430074 中国科学院工程热物理研究所北京市海淀区100190 合肥工业大学安徽省合肥市230009 安徽省电力科学研究院安徽省合肥市230091

风力发电机叶片的雷击防护问题一直是风电系统安全运行关注的焦点。随着风电机组单机容量的增加,塔筒的高度、叶片的长度也随之增长,叶片接闪系统的雷击防护失效问题愈加严重。为了解决GFRP叶片复合材料的雷击击穿问题,提出一种在叶片前... 详细信息

风力发电机叶片的雷击防护问题一直是风电系统安全运行关注的焦点。随着风电机组单机容量的增加,塔筒的高度、叶片的长度也随之增长,叶片接闪系统的雷击防护失效问题愈加严重。为了解决GFRP叶片复合材料的雷击击穿问题,提出一种在叶片前缘/尾缘外覆条形导体的接闪系统设计方案,可降低叶片内部接地引线表面电场强度,减小接地引线产生放电并引起叶片外部放电接闪的概率。建立风力发电机三维雷击先导发展模型,计算分析不同外覆导体长度、不同运行工况条件下叶片接闪系统的防护效果,结合现场运行数据,确定外覆导体的最优设计长度为叶片总长度的12%,此时可减少92%的雷击事故。开展雷电/操作冲击下模拟叶片放电击穿试验,对比敷设和不敷设外覆导体时叶片的放电击穿概率,结果表明叶片前缘/尾缘外覆的条形导体对其敷设范围内的下行先导可全部有效接闪,防止叶片击穿,而对其敷设范围以外的下行先导外覆导体的防护效果大幅下降,验证了外覆导体接闪系统防护的有效性和局限性。

关键词：风力发电机叶片接闪系统外覆导体长间隙放电三维先导发展模型

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风机叶片雷击损伤及防护研究进展综述

高电压技术 2019年第9期45卷 2782-2796页

作者：陈维江何天宇边凯贺恒鑫向念文时卫东李新凯张石孙通李志军黄胜鑫顾建伟国家电网有限公司北京100031 中国电力科学研究院有限公司北京100192 华中科技大学电气与电子工程学院武汉430074 合肥工业大学电气与自动化工程学院合肥230009 中国科学院工程热物理研究所北京100190 龙源(北京)风电工程技术有限公司北京100034 中国电力科学研究院有限公司武汉430074

风机叶片的雷击损伤与防护是风电场运行中迫切需要解决的问题。该文对国内外在风机叶片雷电防护领域开展的研究工作进行了系统梳理,从风机叶片的雷击观测、雷击模拟实验、雷击接闪仿真建模和防雷接闪系统优化4个方面对现有研究成果进行... 详细信息

风机叶片的雷击损伤与防护是风电场运行中迫切需要解决的问题。该文对国内外在风机叶片雷电防护领域开展的研究工作进行了系统梳理,从风机叶片的雷击观测、雷击模拟实验、雷击接闪仿真建模和防雷接闪系统优化4个方面对现有研究成果进行了总结归纳。针对现有研究存在的不足,提出未来需要从以下5个方面开展深入研究:研究建立风机叶片雷击过程的多物理量综合观测系统,针对平原、丘陵和海域不同地理、气候环境的风电场持续开展观测;提升模拟放电实验中电场时空分布的等效性,以研究叶片上行先导发展过程;在现有先导发展模型中进一步计及空间电荷场的影响,并建立可适用于模拟叶片上行雷击过程的先导发展计算模型;将叶片接闪系统优化设计与叶片雷击损伤机理研究深度结合,并考虑接闪系统优化后对叶片力学性能的影响;尽快开展针对碳纤维复合材料叶片雷击防护的系统研究。

关键词：风机叶片接闪系统雷击观测雷击接闪先导发展模型雷击损伤

不同类型避雷针雷击接闪效能差异的实验评价方法

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高电压技术 2021年第11期47卷 3854-3862页

作者：裴哲浩陈维江陈家宏殷禹丁立键傅中张乔根黄胜鑫顾建伟傅毓斐樊星章志远西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049 国家电网有限公司北京100031 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司武汉430074 中国电力科学研究院有限公司北京100085 合肥工业大学电气与自动化工程学院合肥230009 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院合肥230001 华中科技大学强电磁与新技术国家重点实验室武汉430074

探讨一种直观、易于理解且反映雷击放电机理的实验方法,以评价不同类型避雷针的雷击接闪效能差异,对雷电防护领域形成共识显得尤为重要。为此,论文首先分析了雷电环境下地面目标物上避雷针的雷击接闪过程,指出不同类型避雷针接闪效能的... 详细信息

探讨一种直观、易于理解且反映雷击放电机理的实验方法,以评价不同类型避雷针的雷击接闪效能差异,对雷电防护领域形成共识显得尤为重要。为此,论文首先分析了雷电环境下地面目标物上避雷针的雷击接闪过程,指出不同类型避雷针接闪效能的差异主要体现在对迎面放电过程的影响上;接着,提出了如下实验评价方法:采用针-板间隙的放电实验布置,对4 m及以上间隙施加1.2/50μs标准雷电波模拟迎面流注放电过程,对6 m及以上间隙施加250/2500μs标准操作波模拟迎面先导放电过程;然后,通过比较非传统避雷针与传统避雷针的放电起始时刻与平均发展速度2个指标,以评价不同类型针的接闪效能差异;最后,利用所提方法对典型提前放电(early streamer emission,ESE)非传统避雷针与传统避雷针开展了接闪效能差异的评价实验。实验结果表明:ESE针与传统避雷针的评价指标基本一致,不具备研发商所宣称的引雷增效作用。

关键词：非传统避雷针雷击接闪效能差异放电起始时刻放电平均发展速度迎面流注放电迎面先导放电