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风电机组玻纤叶片雷电接闪器布局仿真分析

发布于：2023-03-20 13:46:20 来自：电气工程/电气工程原创版块 [复制转发]

知识点：接闪器

随着风电产业的不断发展，风电机组的量级不断提升，雷电对风机叶片等部件损伤事件也不断增多。据统计，德国风场每年每百台风机的雷击事故率在10%左右，叶片雷击概率约占风机雷击概率的15%~20%。叶片的造价高，维修费用大，一旦雷击损毁会造成巨大经济损失，因此需要对叶片进行合理的雷电防护设计。

风机叶片雷电防护中应考虑整机雷电环境与整机叶片动态转动对雷电路径的影响，分析风机叶片雷击附着区域，进而设计有针对性的风机叶片雷电防护方案。国内外学者做了很多这方面相应的研究，Yokoyama等人从实际雷击叶片损伤状况进行了确切原因分析，提出需要准确判定雷电附着点和分析实验室中电压与电流特性与自然雷电特性区别等方面优化叶片防雷设计方案。Jianguo Wang等人选用叶片长40m的1:100的风机整机缩比模型，通过实验研究了高压棒电极下不同雷电角度与不同雷电极性的雷击特性。Radicebic等人建立叶片长40m的1:33.3的2 MW风机整机缩比模型，在风机模型上方搭建拱形结构高压电极，研究了不同雷电方向、雷电极性和叶片旋转速度的雷击特性。文习山等人设计了2 MW风机整机1:30缩比模型，进行了旋转叶片单风机的接闪放电试验和双风机选择性接闪放电比对试验。Peesapati等人利用三维数值仿真软件建立了2MW风机整体在平板电极下静电感应模型。

本文从雷电通道发展出发，将雷电环境下的风电机组进行模型化，利用有限元数值计算软件COMSOL Multiphysics计算风机机组的叶片在雷电环境下感应电场以及空间电势分布，分析叶片的雷电附着区域以及防护等问题。

雷电环境模型化

风电机组在遭受雷击时往往是云地放电，一般由雷电云上大量电荷产生强的空间电场，击穿空气形成的下行先导，与地面物体感应电荷形成的上行先导汇合形成雷电通道。如图1所示，产生的下行先导垂直下落，达到一级定位点，即感应电荷明显后，雷电先导会随着相互影响而确定的最大电场方向运动，当在二级定位之后，即迎面先导起始后，上下行先导按最大场强方向运动，这是雷电通道的物理形成过程。雷电感应类似静电感应，空间电场受到空间导体感应电荷的影响，导致空间电场发生弯曲，空间电势的等势线的垂直方向即为空间电场强度最大方向，雷击路径方向与电场强度最大方向一致，因此可以通过建立静电感应模型，模拟雷电感应过程，判断雷电路径，进而确定雷击范围。

A—下行先导一级定位点 B—下行先导二级定位点C—下行先导三级定位点 1--一级定位点后的下行先导2—二级定位点后的下行先导 3,4,5—迎面先导

图1 雷电通道的物理形成过程

设计两种电极模拟不同阶段的雷电环境，两种电极分别为平板电极和棒电极，平板电极模拟整个风机在雷电环境下“势”的分布，棒电极模拟雷电下行先导到达叶片周围时叶片上行先导的选择。模型设计如图1所示，其中的旋转角度0°记为C叶片与大地平行，逆时针方向定为正角度。

(a) 平板电极模型

(b) 棒电极模型

图2 仿真模型设计

雷电环境下整机“势”分布

依据图2a进行仿真计算，计算风机叶片转动到不同角度时的电势分布情况。图3为叶片长59m的风机机组在14°时的感应电场分布。从图3可以看出，对于叶片来说，越靠近叶尖，感应电场越大，越容易形成雷电先导，因此越靠近叶尖区域，雷电接闪概率越大。从整机角度分析，叶片C位置低于叶片B ，其尖端电场约为叶片B尖端电场的80.9%。若叶片B肯定会发生接闪的情况下叶片C是否接闪不能确定，由于尖端电场在没有绝对区分度的情况下都有可能产生雷电先导，最终是否会形成雷电通道也不能确定。

图3 风机叶片感应电场分布

为对比不同长度叶片对雷电接闪的区别，将叶片59m和叶片79m计算的尖端电场进行比较，见表1。

表1 叶片C的最大电场与叶片B尖端电场比值
角度	59m	79m
0°	60.5%	62.7%
14°	80.9%	83.6%
30°	100%	100%

从表1可以看出，两种风电机组在同一雷电环境下，叶片C与B 的尖端感应电场比值是79m叶片机组始终大于59m叶片机组。也就是说，叶片越长，叶片B和叶片C感应电场区分度越小，若叶片B肯定雷击的情况下，长叶片机组的叶片C会比短叶片机组的叶片C雷击的概率更大。进一步说明长叶片机组的叶片雷电防护设计时应考虑更小角度试验验证。

设定叶片C和B尖端电场比值小于85％（经验值）时，两个叶片的感应电场区分度足够大，雷击B确定的情况下，C不会遭遇雷击。计算可得，59m叶片考虑到21°就可以满足防雷需求，而不需要考虑更小的角度；79m叶片需要考虑到17°以满足防雷需求。

以上以雷电先导和产生通道的角度分析叶片转动对接闪的影响，但具体的雷电路径以及叶片接闪区域需要通过空间电势进行分析。

表2为风机叶片角度为0°、10°、20°下周围空间的空间电势分布。从图中可以看出，长叶片在雷电环境下空间电势变化更加剧烈，雷电路径（垂直于空间电势等势线）覆盖的区域更大，也就是说叶身段将有更大区域成为雷电的附着区域。

表2 风机的空间电势分布

为了进一步说明叶片长度与雷电防护区域之间的关系，绘制图4，其中红颜色线条为空间电势的等势线，蓝色箭头垂直等势线表示雷电路径可能的方向，黑色标记线为尖端电势等势线。与黑色等势线平行的叶片区域都会有较大概率形成雷电路径，即此区域有较大概率雷电附着。图4可以看出，59m叶片是距叶尖13.4m的区域接闪概率较大，需要重点防护；79m叶片是距叶尖32.9m的区域接闪概率较大，需要重点防护。

（a）叶片长59m，角度21度

（b）叶片长79m，角度17度

图4 空间电势等式线分布

雷电接闪器布局

依据图3a进行仿真计算，仿真模型计算出的电势结果无法直接衡量雷击接闪情况，需要将试验和理论结合来衡量雷电可能的路径，以此判断雷击的区域。

根据大量试验的统计结果和理论分析，得出雷击路径系数的经验公式如下：

其中，K为雷击路径系数，U₁为电极的电势，U₂为与电极正对的叶片表面电势（依据图2b仿真计算所得），H为电极与叶片表面的垂直距离，D为电极与最近接闪器之间距离。

其中K值越大，雷电路径偏向接闪器的概率越大，即雷击接闪器的概率越大，雷击叶片蒙皮的概率越小。文中通过仿真与试验结果，得出K=0.796（一般绝缘特性的蒙皮，参考值）为临界雷电路径系数。当K>0.796，雷电击中接闪器；当K<0.796时，雷电击中叶片蒙皮。

通过计算绘制图5，曲线为Ｈ分别取2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m和9m时不同接闪器间距的雷电路径系数，将计算结果绘制成图5。

图5不同接闪器间距的雷电路径系数

叶片与地面的夹角越大，叶片上的高电势区域越靠近叶尖，雷电路径越易于偏向叶尖。因此越靠近叶尖接闪器需要考虑的角度越小。此处我们考察第一组叶身接闪器时叶片角度为0°，第二组叶身接闪器时叶片角度为5°，第三组叶身接闪器时叶片角度为10°，此处角度根据等势线与叶片夹角进行选取。因此根据位置关系（叶片长度59m）可知第一组叶身接闪器设计时角度考虑为0°，电极距叶片2m（试验距离）；第二组叶身接闪器设计时角度考虑为5°，电极距叶片7.9m；第三组叶身接闪器设计时角度考虑为10°，电极距叶片10.47m。图5可知，59m叶片的叶尖接闪器和第一组叶身接闪器间距为2.7m，第一组叶身接闪器和第二组叶身接闪器的间距为7.5m左右，第二组叶身接闪器和第三组叶身接闪器的间距为14m左右。

根据叶片电势分布（图6）及其位置关系计算出所有接闪器之间的雷击路径系数。叶尖接闪器和第一组叶身接闪器、第一组叶身接闪器和第二组叶身接闪器、第二个叶身接闪器和第三组叶身接闪器之间的雷击路径系数分别为0.81、0.805和0.802，都大于0.796，设计间距都在合理范围之内。整机分析时59m的叶片在距叶尖13.4m的区域为重点区域，因此两组叶身接闪器基本上可以对叶片进行有效防护，第三组叶身接闪器可以选择安装。