风机叶片上的接闪器的大小、位置和数量对其防雷效果的影响外文翻译资料
2022-12-27 15:53:41
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风机叶片上的接闪器的大小、位置和数量对其防雷效果的影响
Hossein Kazemi KAREGAR*,Hossein BAGHERRIAN
(Faculty of Electricalamp;Computer Engineering,Shahid Beheshti Univerty,Thran 1983963113 Iran)
摘要：闪电产生的电场和磁场会对风机的各个系统造成严重危害，现在安装的风机的功率也不断增加，高功率容量必然需要更高的高度，使得风机遭受雷击的概率变大，而叶片是容易遭受雷击的组件。叶片最常见的雷电保护是在叶片表面上安装几个金属接闪器，接闪器再与接地体相连。本文主要研究接闪器结构对叶片防雷保护的影响，为了这个目的，使用基于有限元法（FEM）中COMSOL Multiphysics软件的软件环境分析程序，对“VESTAS V47” 风力涡轮机的叶片模型周围的电压场进行模拟，并进行分析。
关键词：风力发电机；叶片；COMSOL；防雷；接闪器；电压分布分析
0 引言
风力涡轮机经常会遭受雷击，由于其巨大的高度和他们的典型安装在山区离海岸和其他一些地方。而遭受雷击事故后，会造成很大的经济损失，因此必须对其进行有效的防雷保护，来避免雷击事故发生。
风力涡轮机的最濒危的部件均采用加强碳塑料（CORP）制作的叶片。除此之外，在世界各地的许多风电场经常发生低电压和控制电路的故障。这是因为雷击产生的电磁场会形成很大的感应电压、电流，具有很强的破坏性。
如果安装的叶片的不导电体，当强大的雷电流通过叶片时，会对叶片造成严重的损坏，而叶片的维修费用又高。因此，应找到有效的方法防止叶片被闪电击中得到，或是研究出某种组件将叶片上的雷电流转移至大地，从而使叶片不收损害。
如果雷电保护系统不通过低阻抗通路安全地转移雷电电流到地面，就会造成更严重的危害。而这个能量可以通过在玻璃表面上的一些受体连接到向下导体分流到地面，在有接闪器、引下线的情况下遭到了雷击，雷电流会通过经由叶片接闪器、轮毂、主轴、机舱和塔的金属部分，最后导入到地下。
雷击中的风力涡轮机叶片的模型是通常模拟为一根导线，此线转移雷电流至风力涡轮机塔架的其他金属部件。对导线建立一个明确的欧姆值（SEC定义的：EMTP软件的帮助文件）。这种建模方法是模拟叶片电压瞬态的仿真像EMTP，因此，在一次雷击中的电压分布不能进行这样的仿真分析。在本文中，使用了COMSOL.Multiphysics软件对雷击期间在叶片周围上的电压分布进行模拟分析。
叶片上的接闪器会对叶片的电压分布产生影响，本文通过有限性元件建立一个“VESTAS”风力发电机产品公司“V17”叶片的三维模型，对风机叶片上接闪器的位置、数量、大小对叶片电弧的影响进行研究，得到不同接闪方式的仿真结果。结果表明，接闪器的最佳数量取决于它们的位置。
1 雷电
闪电是一种极为复杂的自然现象，可以分为两种主要类型：上行闪电和下行闪电。这两种闪电可分别分为正极性和负极性闪电，雷雨云和地面极性相反。
雷电流波形主要有四个参数：振幅、波头时间、波尾时间和极性。雷电流最主要的参数是振幅。波形如图1所示：
图1 雷电流波形图
雷电流参数如下：tstart是开始时间，如果tlt;tstart，那么这个电路就是开路；Imax是最大电流；tf是波头时间；Sm是波形的最大陡度；th是半波时间；tstop是截止时间，如果tgt;tstop，那么这个电路一样是开路。截止时间一定比开始时间长。
首次回击的电流可以表示为：
基本假设是：当雷电流达到波形最大陡度（最大值的90%）时的时间t，取决于指数n。上述方程中的变量近似于：
式中：
波尾电流公式为：
时间和电流常数为：
闪电的另一种分类是冬季和夏季闪电。冬季闪电的tf是2/631 us，Imax为51KA，而夏季闪电的tf是2/70 us，Imax则是30KA（见EMPT软件的帮助文件）。
2 接闪器的位置、大小和数量对叶片电压分布的影响
对于风机的防雷保护，是利用了叶片上的金属材料做接闪器，再用风机本身的金属塔身连接到接地系统。而接闪器在叶片的安装位置是一个很重要的问题，事实上改变接闪器在叶片上的位置会影响到叶片周围电压场的分布，还能影响到遭受雷击的概率。关于接闪器另两个重要问题是它们的叶片表面上的数量和它们的尺寸大小。这些问题都会影响到叶片防雷的效果。
在本节中，使用COMSOL Multiphysics软件模拟了“VFSTAS V47”型风力涡轮机叶片的性能，模拟不同的叶片接闪器位置、数量、尺寸大小对叶片附近的电压场分布特征。
2.1 没有任何接闪器的叶片模型
在COMSOL Multiphyscis软件三维仿真叶片几何模型的环境下，可以看到图2中标记的表面没有任何接闪器的叶片。
图2 没有接闪器的叶片几何模型
叶片样品的制作材料是玻璃（导热系数：1*10-14S/m，相对介电常数：4.2）。在图2中可以看到叶片是用固体圆柱状中空金属物来模拟，电极用来模拟雷击，用12MV的高压施加到叶尖上（此时距离为5cm）。可以看到叶尖和电极之间的电位差比空气击穿电压高很多。模拟中电极所使用的材料是铜（电导率为6.0*107S/m）。叶片底部与电气接地系统相连，但在实际情况下，它是与机舱底座相连再通过塔筒接地的。
叶片表面的电压分布和其周围空气情况见图3（图中的彩色部分，图5、图7、图9、图11、图13同此）。不同区域的电位值可由该区域的颜色范围来确定。
图3 没有接闪器叶片表面的电位分布
从图3中可以看出，叶片上半部分的电位是很高的（平均10MV左右），而中下部的电位则是4MV左右，叶片底部的电位是0MV，因为他与电气接地系统相连。由此可以判定，如果叶片没有接闪器的话，是极有可能遭受雷击的，尤其是叶尖部分。
2.2 有两个接闪器的叶片模型
在叶片叶尖两侧相同位置安装两个接闪器的几何模型如图4所示。
图4 叶尖安装两个接闪器
值得一提的是，对于这个简单的模型，他的引下线并不是装在叶片里面的，相反，背面的接闪器是与风力发电机组的接地系统相连的。接闪器的材料是铜（电导率：6*107S/m）。
其他的几何特性、材料和模拟中使用的电压与2.1节所述相同。。
叶片表面的电位分布和他周围空气情况见图5。插入的接闪器对电压分布的影响由此可以看出。
图5 两个接闪器的叶片表面的电位分布
可以看出，在叶尖安装了一对接闪器后，在很大程度上降低了叶片表面的电位分布（叶尖有红色变成了蓝色说明电位降低了大概11MV左右）。叶片中部的电位也相应降低了，降幅约为2MV。叶片底部的点位则和2.1中的情况相同。
2.3 有两个更大的接闪器的叶片模型
从图6中的叶片几何模型中可以看出安装的一对接闪器的大小和位置。
图6 较大的两个接闪器（一对接闪器）
将这个安装在叶片表面较大的、相同高度的接闪器与之前2.2的接闪器相比较，得到叶片表面的电位和其周围空气的分布，如图7。
图7 安装较大接闪器（一对）的叶片表面电位分布
可以看出，叶片表面的电位分布并不如人所意，并且叶尖的电位值增加了。这将导致叶片更易遭受雷击。所以增大叶片的尺寸并不能减少雷击叶片的概率。
2.4 安装10个接闪器的叶片模型
图8展示了装有10个接闪器的叶片几何模型。叶片上两边每对接闪器之间的距离为3m。所有接闪器的材料是铜，且背部接闪器与接地系统相连接。其他的几何特性、材料和模拟中使用的电压与2.1节所述相同。
图8 装有10个接闪器的叶片（5对，每对装在叶片表正反面的相同位置上）
叶片表面的电位分布和周围空气情况见图9。安装接闪器后不同位置的电位用不同颜色标明。
与2.2相比，可以看出电压分布并没有较大的变化，尽管叶片上不同地方上的电压降有些大。
图9 装有10个接闪器的叶片表面电位分布
2.5 装有12个接闪器的叶片模型
图10显示了叶片几何模型的特性。6对接闪器被装在叶片表面的不同位置。接闪器的制作材料是铜且背部的接闪器与接地装置相连接。其他的几何特性、材料和模拟中使用的电压与2.1节所述相同。
图10 叶片表面装有12个接闪器
前面提及的装在叶片表面的不同配置的接闪器，和在叶片表面的电位分布以及周围空环境的情况见图11,。安装接闪器后不同区域的电位分布用不同颜色标明。
图11再次说明表面点位置并没有很大的变化，尽管在叶片上部的电位差比较大。
对比上面几个部分，可以总结出以下结论：在叶尖部分按照前面所说的配置安装两个或者更多的接闪器对叶片表面的电位分布并不会有很大的改变。对比其他两个配制方法，将两个接闪器安装在叶尖是更容易且更经济的。
图11 安装12个接闪器的叶片表面电位分布
2.6 在叶尖安装接闪杆
这种叶片防雷方法不仅提供了接闪器，还有引下线。接闪杆安装在叶尖部分，并且通过引下线与电气接地系统相连。这将影响叶片表面电位分布和他周围的空气情况，这将减少叶片遭受雷击的情况，并且可以将雷电流通过接闪杆释放到大地。因此，接闪杆可以防止叶片被击穿且导走雷电流。
在COMSOL软件中制作3D新模型。叶尖装有接闪杆的几何模型见图12。在这个简单的模型中，引下线不是没有，而是被代替了。接闪杆底部与接地系统相连。
图12 装有接闪杆的叶片几何模型
接闪杆的材料是铜（电导率为：6.0*107S/m）。接闪器距离叶尖的长度约为10cm，因此他对风流没有影响。和前面一样，将12MV的高压施加到电极上，叶片和电极之间的电压值高于空气击穿电压。
使用这种接闪杆后，叶片表面的电位分布和周围空气情况如图13所示。不同区域的电压值用不同颜色标明。
图13说明叶片上部的电压值增加了，大约是6MV。通过与在叶尖安装一对接闪器时的叶片表面电位分布，可以看出在叶尖安装接闪杆的方法并不合适。
图13 叶尖安装接闪杆后叶片表面电位分布和其周围空气情况
3 模拟结果对比
可以看出在叶尖安装一对接闪器是最有效的叶片防雷方法。在2.2、2.3和2.4节中对不同位置和不同数量的接闪器进行了研究后发现，叶片表面的电位分布并没有很大的变化。因此使用一对接闪器在实际情况中是更经济简便的。使用2对接闪器的效果正在研究中。使用更大的接闪器在实验后表明并没有比两个较小的接闪器效果好，因此使用大的接闪器并没有更好的效果。模拟结果表明在叶片表面安装接闪杆并不能在实际中为叶片提供更好的防雷保护效果。
4 结论
本文关注的是雷电流在风力发电机中的流动途径。这种方法可以建立有效的叶片防雷方法。叶片防雷系统会在很大程度上影响叶片表面的电位分布和其周围空气情况，在不同位置使用不同大小和数量的金属接闪器也会对电位分布产生影响。不同配置的接闪器对叶片电位分布的影响是在COMSOL软件制作的叶片几何模型上进行模拟的。另外，对于在叶尖安装金属接闪杆的情况也进行了模拟。模拟是在与“VESTAS V47”叶片相同比例的3D仿真模型上进行的。通过比较模拟结果，可以得到以下结论：最佳配置的接闪器形式是使用两个合适大小的接闪器，并将其安装在叶片正反面的相同位置。
参考文献
[1]SARAJCEV P. Assessment of lightning strocke incidence to modern wind turbines [C]// Proceedings of the 18th International Conference on Software,Telecommunications and Computer Networks,September 23-252010,Split,Croatia:97-101.
[2]SHOORY A,VEGA F,RACHIDI F,et al.On the propagation of current pulses along tall structures struck by lightning[C
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