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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

风能作为一种可再生能源，因其环保而被大力提倡。风力发电无论是从能源本质上，还是从能源供应结构上看，都是我国发电方式中所不可忽视的一个部分。随着我国能源需求的不断增长，风力发电也迅速发展。但是我们在风电发展过程中发现，由于风电场多建于旷野，极易遭受雷击。再加上风力发电机组规模的不断扩大，塔架的高度不断增加，其遭受雷击的可能性越来越大，遭受雷击的后果也越来越严重。统计数据表明，在风力发电机组遭受的雷击事故中，上行闪电与下行闪电之比是86:2。风机旋转叶片作为风力发电机组最高的部位，最易成为上行先导的起点，是最易遭受雷击的部位。风机旋转叶片一旦损坏，不仅会导致发电效率的降低，还会加大设备运行成本。目前已成为制约风电发展的重要问题。

本文针对风机旋转叶片易遭雷击损坏的问题，通过叶片电晕放电特性的理论分析。采用实验室模型实验的方法，对不同长度、不同转速以及不同角度的风机旋转叶片进行电晕触发实验，计算得到风机旋转叶片的电晕环境阈值与电晕放电阈值。对比电晕环境阈值与电晕放电阈值在不同条件下的变化规律，得到风机旋转叶片在不同条件下对雷电电场的影响。给风力发电机组的防雷提供一定的参考。

国内外研究现状

针对风机旋转叶片以及类似金属尖端的接闪、放电特性，国内外的科研人员进行了大量研究。Wang D和Myers J等分别发现，旋转风力发电机组的接闪半径比相同高度下静态建筑的接闪半径大。李丹通过模拟发现，风机旋转叶片遭受雷击的概率远远高于风力发电机组其他部位，她分析可能是叶片造成的电场畸变更有利于触发上行先导。马宇飞等建立二维仿真模型，模拟风机旋转叶片周围空间的电荷分布情况，得出了叶片表面的电荷密度曲线。结果表明在叶片尖端处，正电荷分布最为密集。不仅如此，他还通过仿真得到了叶片周围的空间电场，证实在距叶片10m内叶片对空间电场有畸变作用，尤其是在距叶片尖端5m的地方，畸变效果最为明显。郭秀峰等对建筑物尖端造成的大气电场畸变进行研究，利用有限差分法求解拉普拉斯方程，得到建筑物尖端附近的空间电场。给出了最大电场畸变系数与尖端高度、尖端宽度以及尖端所处位置的关系。Williams J M A R通过对闪电测绘阵列和高速摄像结果的分析，认为风机旋转叶片的转动会提高上行先导触发的概率。周诗健对强电场探空仪的尖端感应原件进行了研究，实验巧妙消除电极板对电晕电流的影响，测试尖端导线在均匀电场中的起晕电场值与电晕放电电流，得到了导线长度、起晕电场值、电晕电流的关系式。朱俊儒在周诗健的实验基础之上，不仅探讨了金属尖端的材质、环境温度对金属尖端电晕触发阈值的影响，还利用有限单元法解出拉普拉斯方程，得到了电晕触发阈值。除此之外，还考虑了分辨率的对电晕触发阈值计算的影响。给出了分辨率与电晕触发阈值的关系式，以及在不同分辨率时，电晕放电电流与环境电场之间的函数式。蓝磊等利用弧面电极与一个1：30放缩比的风机模型，在间隙为1m的情况下，对不同转速的风机旋转叶片进行了大量接闪测试。数据说明风机旋转叶片的转速越快，击穿电压越大。叶片的旋转会抑制上行先导的发展。

2. 研究的基本内容

本文以风机旋转叶片为研究对象，通过实验室模型实验的方法，对不同长度、不同转速以及不同角度的风机旋转叶片进行电晕触发实验，得到风机旋转叶片在不同状态下触发电晕放电时的上极板实际电压值。

然后利用均匀电场公式，将上极板电压值换算成风机旋转叶片触发电晕放电时的均为外电场值，即得到电晕环境阈值。

利用有限元仿真软件ansys建立风机模型，对风机旋转叶片附近的电场进行模拟，得到触发电晕放电时叶片附近的电场值，即得到叶片的电晕放电阈值。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

实验方案

实验开始先搭建平行电容板。实验所用平行电容板由两块金属铁板搭建而成，下极板置于地面，做接地处理。上极板与高电压冲击平台相连，固定在下极板上方90cm处，与下极板平行。风机放置于下极板中间，与下极板绝缘接触。

本实验需要对不同长度、不同转速以及不同角度的风机旋转叶片进行电晕放电测试，一共测定27组上极板电压值，每组电压值测试5次，取5次的平均值作为已知量，将其应用到后续计算中。实验时，给风机安上不同长度的风机旋转叶片，让其以不同状态暴露在均匀电场中。然后利用冲击平台给上极板设定一个负高压。如果上极板设定电压值太低，则无法触发电晕放电。如果上极板设定电压值太高，实验数据的采集时间会变长，且容易击穿空气造成火花放电。因此，在实验中需要给上极板设定一个合理的电压值。在设定了一个合理电压值后，冲击平台开始给上极板充电，在充电的过程中上极板的电压就会不断升高直至达到设定值。当上极板电压达到设定值后，停止对其充电，上极板电压便会以每次0.1kv的幅度下降。在上极板电压下降的过程中，示波器上的电晕电流脉冲信号幅值会逐渐降低，脉冲信号数量也会随之减少，直到消失(电晕电流脉冲信号变化过程如图5所示)。实验所采集的数据就是最后一个电晕电流脉冲信号消失时，上极板所达到的实际电压值。记录数据后将上极板接地，使其电压降为0，再重复上述步骤直到数据收集完成。由于实验所收集的数据除受叶片参数影响之外，还受大气条件影响。所以需要进行对比的数据应在同一大气条件下收集完成。

4. 参考文献

[1]邱传睿,林毅龙,李永毅.风电机组的防雷和防雷标准[j].风能,2010(03):54-59.

[2]王宝归,曹国荣,唐建平.风电机组的防雷保护[j].风能,2012(03):86-90.

[3] gbz25427-2010风力发电机组雷电防护[s].北京:中国标准出版社，2010.