近年来,风电场的大量兴建引发人们对风电机组安全问题的广泛关注,在风电场众多的安全影响因素中,过电压的危害是一个重要方面,风电场中典型过电压分为雷电过电压和操作过电压。雷电击中风电机组后,经叶片、机舱、塔筒和接地系统将雷电流引入大地这一暂态过程中,快速变化的雷电流会产生快速变化的磁场,而塔筒、信号电缆屏蔽层和信号电缆芯线间存在耦合电容和互感,在这种暂态磁场作用下信号电缆上会产生很高的感应过电压,将严重影响机组控制系统的正常运行。除此之外,风电场集电系统中真空断路器进行开关操作时可能会在断路器断口间产生多次预击穿和重燃现象,形成幅值和频率极高的暂态过电压,严重威胁集电系统内设备的安全运行。本文为探明风电场典型过电压形成机制,运用电磁暂态仿真软件EMTP/ATP搭建了风电机组雷击下的一体波阻抗仿真模型以及考虑真空断路器合闸预击穿和分闸重燃的风电场操作过电压仿真模型,针对风电场存在的典型过电压进行电磁暂态仿真,总结了该类过电压具有的电气特性以及风电场内关键因素对其影响规律,最后提出了相关抑制措施并进行了定量计算。本论文的研究工作主要由以下几个方面构成:(1)搭建风电机组主要部件的暂态分析模型,包括叶片、机舱、塔筒、信号电缆、电力电缆和接地系统,并计算各部件的电气参数,同时考虑塔筒、信号电缆屏蔽层、信号电缆芯线间的静电感应分量和电磁感应分量,接地系统根据实际结构采用多导体π型电路进行等效,从而建立风电机组雷击下的一体波阻抗模型。(2)基于一体波阻抗暂态分析模型,分析信号电缆过电压产生的原因并讨论了电缆屏蔽层、土壤电阻率、雷电流波形3种因素对过电压水平的影响,在此基础上开展了过电压抑制措施的研究,验证了信号电缆外屏蔽层双端接地和电缆加装浪涌保护器(SPD)对于抑制其过电压的有效性。(3)基于风电场中真空断路器的实际参数,结合EMTP/ATP在MODELS模块中利用Fortran语言对真空断路器编写控制程序,建立其合闸预击穿和电弧重燃模块。此外对比不同的线路模型,选择合适的模型对电缆进行建模。对现有变压器模型进行了合理的改进,建立变压器的高频模型。然后在此基础上搭建典型风电场操作过电压仿真模型,验证了本文建立的真空断路器模型在风电场过电压分析中的有效性,综合分析合闸初相角、馈线长度和拓扑结构对于风电场集电系统过电压水平的影响,并在此基础上开展了操作过电压抑制措施的研究。综合上述研究可得出:雷电过电压方面:风电机组屏蔽层对电缆上产生的感应过电压有抑制作用,双层结构效果较明显。信号电缆顶端或者末端由于有较高的过电压,更易遭受绝缘击穿进而影响风电机组的可靠运行。土壤电阻率越大,塔基电位越高,但是塔筒同一位置处的电缆芯线与屏蔽层间电位差随土壤电阻率的增大而小幅减小。雷电流波形对过电压的影响较大,波形越陡,塔筒、电缆屏蔽层和芯线间的电位差越大。电缆外屏蔽层双端接地和电缆顶端加装SPD能够有效降低电缆上的过电压水平至电缆耐受电压以下。操作过电压方面:过电压幅值与合闸初相角近似呈现正弦关系,当合闸初相角在电源峰值左右时的过电压值最大。在同一条馈线上,在其所有变压器中,馈线末端变压器处的过电压最大。断路器进行合闸操作时,过电压值随着馈线长度的增加而缓慢下降。而分闸操作时的过电压值与馈线长度呈正相关的关系。此外,分闸操作时的过电压值更高。星形拓扑结构在应对断路器操作引起的暂态过电压方面表现最为优越,其过电压值最小。风电场采用RC阻容吸收器能有效的将过电压的幅值限制在合理范围内。本文所得到的研究成果将对风电场的过电压防护以及规划设计提供一定的参考。