風(fēng)機(jī)葉片接閃器布局可靠性仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

康 楠，薛浩鵬，杜鳴心，韓 敏

(1.東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司 天津300450；2.西安愛(ài)邦電磁技術(shù)有限責(zé)任公司 陜西西安710065)

0 引 言

隨著風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展，特別是南方雷電活躍地區(qū)裝機(jī)量的增加，葉片遭受雷擊的事故也越來(lái)越多，風(fēng)電機(jī)組葉片的防雷問(wèn)題愈發(fā)受到行業(yè)上下游的重視。葉片防雷系統(tǒng)的可靠性對(duì)于風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[1]。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真對(duì)接閃器布局的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，逐步得到推廣應(yīng)用[2]。

1 某型號(hào)葉片雷擊附著點(diǎn)仿真

1.1 仿真設(shè)置

雷電問(wèn)題屬于多物理場(chǎng)問(wèn)題，當(dāng)風(fēng)機(jī)遭到雷擊時(shí)，雷電流流過(guò)風(fēng)機(jī)，常常伴隨著電磁、熱、力效應(yīng)。本仿真計(jì)算的電磁場(chǎng)方程主要為安培定律和電流守恒定律。仿真工具主要應(yīng)用 COMSOL Multiphysics軟件，可滿足整機(jī)及系統(tǒng)級(jí)雷電電流瞬態(tài)或頻域問(wèn)題的求解，以及復(fù)雜電磁環(huán)境問(wèn)題的求解。

涉及到溫度的考量需要加載固體傳熱方程進(jìn)行耦合，基本方程如下：

因?yàn)楸卷?xiàng)目仿真的熱源來(lái)自電磁，所以需要如下方程進(jìn)行耦合：

本仿真以首個(gè)正極性電流脈沖為電流源，表達(dá)式為：

其中：I0＝20000A，k＝0.93，T1= 19μs ，T2=485μs波形圖如圖1所示。

圖1 雷電流波形Fig.1 lightning current waveform

本仿真為三維電磁數(shù)值仿真，選用穩(wěn)定性較好的自由四面體為基本網(wǎng)格單元對(duì)仿真體進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)計(jì)，圖2為基本網(wǎng)格單元示意圖。

圖2 基本網(wǎng)格單元Fig.2 Basic unit grid

風(fēng)機(jī)葉片的網(wǎng)格設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)葉片的網(wǎng)格設(shè)計(jì)Fig.3 Design of wind turbine blade grid

1.2 仿真結(jié)果

通過(guò)仿真設(shè)置計(jì)算出葉片上的電勢(shì)分布如圖 4所示。

根據(jù)大量試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和理論分析，得出雷擊路徑系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中：K為雷擊路徑系數(shù)，U1為電極的電勢(shì)，U2為與電極正對(duì)的葉片表面電勢(shì)，H為電極與葉片表面的垂直距離，D為電極與接閃器之間距離。

圖4 葉片上雷電感應(yīng)電勢(shì)分布Fig.4 Lightning induced potential distribution on blade

結(jié)合仿真與試驗(yàn)結(jié)果，得出 K＝0.796為臨界雷電路徑系數(shù)。當(dāng) K＞0.796時(shí)，雷電擊中接閃器；當(dāng)K＜0.796時(shí)，雷電擊中葉片[3]。

某型號(hào)葉片葉尖接閃器和第1個(gè)葉身接閃器、第1個(gè)葉身接閃器和第2個(gè)葉身接閃器、第2個(gè)葉身接閃器和第 3個(gè)葉身接閃器之間的距離分別為 2.7、7.5、14m。根據(jù)電勢(shì)及其位置關(guān)系計(jì)算出所有接閃器之間的雷擊路徑系數(shù)。葉尖接閃器和第一個(gè)葉身接閃器、第1個(gè)葉身接閃器和第2個(gè)葉身接閃器、第2個(gè)葉身接閃器和第 3個(gè)葉身接閃器之間的雷擊路徑系數(shù)分別為0.81、0.805和0.802，都大于0.796。表明設(shè)計(jì)間距在合理范圍之內(nèi)。

2 某型號(hào)葉片雷擊附著點(diǎn)試驗(yàn)

對(duì)該型號(hào)葉片進(jìn)行雷擊附著點(diǎn)試驗(yàn)。圖 5為以30°為例的試驗(yàn)結(jié)果，所有試驗(yàn)的結(jié)果見表 1?？梢钥闯鋈~片雷擊附看點(diǎn)主要在葉尖接閃器上。

圖5 30°時(shí)4種葉片姿態(tài)下試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test result of 4 kinds of blades at 30°

表1 不同角度和葉片姿態(tài)下雷擊附著點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test result of lightning strike attachment point with different angle and posture of blade

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)行多種角度和葉片姿態(tài)的試驗(yàn)布置說(shuō)明：

①使用吊裝的方式將葉片吊起。

②放電距離，葉片最低點(diǎn)與接地平板的距離為2.0m。

③沖擊電壓發(fā)生器的輸出端連接至葉片防雷系統(tǒng)引下線。

④使用鋁板作為接地平板，該鋁板尺寸為 4m×6m。

⑤拍照，選取 3個(gè)最佳拍照位置布置相機(jī)，以保證清晰捕捉電弧放電位置。

3 結(jié)論和建議

①通過(guò)仿真可知雷擊附著點(diǎn)主要分布在葉尖接閃器、葉身接閃器上，且越靠近葉尖越易遭受雷擊。

②通過(guò)試驗(yàn)可知，該款葉片接閃器系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，雷擊附著點(diǎn)主要在葉尖接閃器上。

③仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，仿真方法可以作為風(fēng)機(jī)葉片雷擊附著點(diǎn)評(píng)估的有效手段之一。