一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法技术

本发明专利技术公开了一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，先在ATP/EMTP仿真软件中建立风电系统的电路模型，通过改进结构模拟，将叶片塔筒的电路计算模拟出来，然后在验证电路设计合理性的前提下，进行实验的模拟以完成此发明专利技术的验证。本发明专利技术根据现有情况，对叶片进行了改进，提出一种更加可行的防护方案，并在叶片上安装了实施，从而优化了叶片的防雷保护，节约了损坏造成的维护成本，使风机运行更加安全可靠。

A Lightning Protection Method for Fan Blades Based on Installation Criterion of Flash Receiver

【技术实现步骤摘要】
一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法
本专利技术属于雷电过电压防护
，涉及一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法。
技术介绍
风力发电可把清洁可再生的风能转为电能，已成为多个国家能源发展战略结构的重要组成部分。风机是将风能有效转化为电能的主要装置，各个国家的装机总量发展迅猛。雷电是造成风机故障的主要原因之一，风机的叶片材质大多为碳纤维或者玻璃纤维碳等增强塑料材质，导电性能较差，当叶片在遭受雷击时，雷电电流通过叶片内部，然后进入轮毂、机舱和塔架，最后进入地面。随着雷电巨大能量的释放，过大的雷电流会沿着叶片向塔筒及其他设备传播，使得叶片上的雷电流急剧升高，在这个过程中会产生过电压和过电流，造成设备损坏，甚至威胁到风电场中的其他机组。因为叶片中电阻、电感、电压等元件的存在，风力发电机风机叶片内空气高温膨胀导致壳体内部压力的上升，产生热效应等，最终出现冲击波对风机叶片造成机械损坏，雷电流沿风机叶片传导时还会形成高温电弧，高温电弧将会引起风机叶片壳体材料的燃烧，严重时可能使叶片发生断裂。为了保护风机叶片免受雷击危害，主要有两种方法：一种是在风机叶片尖端固定一个金属装置作为接闪器，雷击接闪器后，接闪器通过引下线将雷电流传输到风机叶片根部；另一种是在风机叶片表面添加导电材料，减小对雷击点的损坏。接闪器是目前对叶片进行防雷保护的最常用的外加保护措施，但叶片上接闪器安装方式不明确、安装数量位置不确定，采取的防护方法不够多样，所以叶片遭受雷击事故依然多次发生。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，解决了现有技术中存在的风机叶片上接闪器安装方式不明确、安装数量位置不确定问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，包括以下步骤：步骤1、在ATP/EMTP仿真软件建立风机模型，对叶片结构进行计算模拟；步骤2、采用机舱、塔体分段结构，建立风电机组雷电瞬态过程的模型；步骤3、由步骤2所得仿真计算结果，研究叶片雷击点不同的雷电暂态电位分布影响，分析研究差异进行比较；步骤4、依据电位分布对叶片的防雷保护提出措施，即在对叶片进行接闪器布置的时候，将接闪器大范围的安装在叶片的顶端，并且增加数量的安装，吸引雷电，尽可能少的使雷电击中叶片中部及以下其他位置，使得对叶片的损害最少，并采用实验验证措施的合理性。本专利技术的特点还在于，步骤1具体包括以下步骤：步骤1.1，选择合适的雷电流，建立雷电流模型，反映雷电的特性；步骤1.2，建立叶片模型，将风机叶片看作一个截面积为等效导体面积的长直导体，将风机叶片所等效的导体划分为若干段，每段的长度不超过雷电流所包含最大频率对应的最小波长的1/10，划分后的每一段导体用π型电路单元来表示，这样风机叶片等效为一系列π型等值电路的串联，计算得出叶片的电容、电感、电阻参数。步骤2具体包括以下步骤：步骤2.1，建立机舱模型，在主轴前段设置一条与其并行的低阻导流通道，该通道由铜质电刷和导体滑环组成，这样就在机组的雷电流传输路径上形成了一个由轴承和电刷形成的滑动接触部位，在传导雷电流时，雷电流在通过主轴承时会发生油膜放电，轴承会出现明显容性特征，其暂态特性用其滚子与内、外轴承圈之间的电容来表示，电刷与导体滑环运行过程中，采用集中的接触电阻等效，该电阻值在运行过程中保持稳定，滑动接触部位可近似等效为电容与电阻的并联体，可由现有的实验数据来估算电容；步骤2.2，建立塔筒模型，采用圆台式的管状结构对风机塔筒模型进行等效模拟，在等效计算时，将塔筒划分为若干个分支导体，然后再对导体的每一块做电路等效处理，把划分后的每一块导体看做一个小圆柱体；将塔筒沿水平方向平均分成若干段，然后在竖直方向将塔体等长度分割，设雷电流源波形公式为：I(t)＝AIm(e-αt-e-βt)(1)对其进行傅里叶变换，则为了确定分段长度，需求出上式中的上限截止频率，但上式中实际上求不出上限截止频奉，这是因为只有ω→∞时才会有的|I(ω)|→0；为此，可按下式中来确定一个上限频率ωe：20lg[|I(ω)|/Im]≈-(160-200)dB(3)当频率高于ωe时，谐波分量对雷电瞬态的贡献很小，可忽略不计；根据上限频率ωe能够估算出频率范围内的最高次谐波所对应的波长，c为光速：塔体剖分后，然后将网格划分后塔体的每一块导体再进行等效处理，即把每一块导体等效成具有一定半径的圆柱形导体，其中导体的半径可以按公式来处理，公式中为a塔体的平均厚度；于是就将塔体的模型等效成了具有一定半径的圆柱导体相连的连续的“圆台筒状结构”；步骤2.3，建立三相电缆模型，利用ATP/EMTP中的LINEPI_3模型模拟风电机中的电缆，得到更加符合实际的雷电暂态效果，建立与频率相关的电缆线路模型；步骤2.4，建立发电机与变压器模型，风力发电机包括1台定子绕组与三相电网直连的异步发电机，以及连接发电机转子和定子输出端的变频器，采用ATP/EMTP中的UM1同步电机模型进行等效，变压器采用ATP/EMTP中SatTrafo模型来等效风力发电机组升压变压器。步骤1.1中建立电流模时，在ATP/EMTP仿真中，采用霍德勒雷电流数学模型，其函数表达式如下：式(5)中，k为波形峰值修正因子；t1，t2分别为波头时间和波尾时闻；n为与雷电流波前陡度有关的参数，函数通过调节参数得到雷电流的特征，对于10/350μs的雷电流波形取n＝10。步骤1.2中建立叶片模型时，C、L、R分别为电容、电感、电阻参数；每分段导体的电容均可以按照平均电位法进行求解，选择风电机组叶片中引下线上的其中一段导体所对应的上下两端点数值坐标为zin，可计算得到其电容为：式(6)中，风电机组叶片的引下线中任意取一段导体j的阻抗，根据诺依曼积分公式求解，式中，l为叶片长度，r为叶片半径，ρ为电阻率，ε表示真空介电常数，μ0为真空磁导率：步骤2.1中建立机舱模型时，从轴承系统的电场方程入手，通过对电位的近似求解，其结果可由式10、11计算。式(10)中，ε是润滑油的介电常数；l为主轴承的长度；式(11)中，D为主轴承环轴线到滚子轴线的距离；R1为滚子半径；R2为轴承环的半径。步骤2.2中建立塔筒模型时，从雷电流源的波形频谱分析加以入手，设雷电流源波形公式为：I(t)＝AIm(e-αt-e-βt)(12)对其进行傅里叶变换，则为了确定分段长度，需求出上式中的上限截止频率，但上式中实际上求不出上限截止频奉，这是因为只有ω→∞时才会有的|I(ω)|→0；为此，可按下式中来确定一个上限频率ωe：20lg[|I(ω)|/Im]≈-(160-200)dB(14)认为当频率高于ωe时，谐波分量对雷电瞬态的贡献已经很小，可忽略不计，根据所选定的上限频率ωe能够估算出所考虑频率范围内的最高次谐波所对应的波长，c为光速：因此，在实际计算中进行网格划分时，通常分段长度应小于雷电流频谱中最大频率所对应最小波长的来处理，分段导体的长度小于雷电流波长。塔体剖分后，然后将网格划分后塔体的每一块导体再进行等效处理，即把每一块导体等效成具有一定半径的圆柱形导体，其中导体的半径可以按公式来处理，公式中为a塔体的平均厚度，就将塔体的模型，等效成具有一定半径的圆柱导体相连的连续的“圆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在ATP/EMTP仿真软件建立风机模型，对叶片结构进行计算模拟；步骤2、采用机舱、塔体分段结构，建立风电机组雷电瞬态过程的模型；步骤3、由步骤2所得仿真计算结果，研究叶片雷击点不同的雷电暂态电位分布影响，分析研究差异进行比较；步骤4、依据电位分布对叶片的防雷保护提出措施，即在对叶片进行接闪器布置的时候，将接闪器大范围的安装在叶片的顶端，并且增加数量的安装，吸引雷电，尽可能少的使雷电击中叶片中部及以下其他位置，使得对叶片的损害最少，并采用实验验证措施的合理性。

【技术特征摘要】
1.一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在ATP/EMTP仿真软件建立风机模型，对叶片结构进行计算模拟；步骤2、采用机舱、塔体分段结构，建立风电机组雷电瞬态过程的模型；步骤3、由步骤2所得仿真计算结果，研究叶片雷击点不同的雷电暂态电位分布影响，分析研究差异进行比较；步骤4、依据电位分布对叶片的防雷保护提出措施，即在对叶片进行接闪器布置的时候，将接闪器大范围的安装在叶片的顶端，并且增加数量的安装，吸引雷电，尽可能少的使雷电击中叶片中部及以下其他位置，使得对叶片的损害最少，并采用实验验证措施的合理性。2.根据权利要求1所述的一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，其特征在于，所述步骤1具体包括以下步骤：步骤1.1，选择合适的雷电流，建立雷电流模型，反映雷电的特性；步骤1.2，建立叶片模型，将风机叶片看作一个截面积为等效导体面积的长直导体，将风机叶片所等效的导体划分为若干段，每段的长度不超过雷电流所包含最大频率对应的最小波长的1/10，划分后的每一段导体用π型电路单元来表示，这样风机叶片等效为一系列π型等值电路的串联，计算得出叶片的电容、电感、电阻参数。3.根据权利要求1所述的一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：步骤2.1，建立机舱模型，在主轴前段设置一条与其并行的低阻导流通道，该通道由铜质电刷和导体滑环组成，这样就在机组的雷电流传输路径上形成了一个由轴承和电刷形成的滑动接触部位，在传导雷电流时，雷电流在通过主轴承时会发生油膜放电，轴承会出现明显容性特征，其暂态特性用其滚子与内、外轴承圈之间的电容来表示，电刷与导体滑环运行过程中，采用集中的接触电阻等效，该电阻值在运行过程中保持稳定，滑动接触部位可近似等效为电容与电阻的并联体，可由现有的实验数据来估算电容；步骤2.2，建立塔筒模型，采用圆台式的管状结构对风机塔筒模型进行等效模拟，在等效计算时，将塔筒划分为若干个分支导体，然后再对导体的每一块做电路等效处理，把划分后的每一块导体看做一个小圆柱体；将塔筒沿水平方向平均分成若干段，然后在竖直方向将塔体等长度分割，设雷电流源波形公式为：I(t)＝AIm(e-αt-e-βt)(1)对其进行傅里叶变换，则为了确定分段长度，需求出上式中的上限截止频率，但上式中实际上求不出上限截止频奉，这是因为只有ω→∞时才会有的|I(ω)|→0；为此，可按下式中来确定一个上限频率ωe：20lg[|I(ω)|/Im]≈-(160-200)dB(3)当频率高于ωe时，谐波分量对雷电瞬态的贡献很小，可忽略不计；根据上限频率ωe能够估算出频率范围内的最高次谐波所对应的波长，c为光速：塔体剖分后，然后将网格划分后塔体的每一块导体再进行等效处理，即把每一块导体等效成具有一定半径的圆柱形导体，其中导体的半径可以按公式来处理，公式中为a塔体的平均厚度；于是就将塔体的模型等效成了具有一定半径的圆柱导体相连的连续的“圆台筒状结构”；步骤2.3，建立三相电缆模型，利用ATP/EMTP中的LINEPI_3模型模拟风电机中的电缆，得到更加符合实际的雷电暂态效果，建立与频率相关的电缆线路模型；步骤2.4，建立发电机与变压器模型，风力发电机包括1台定子绕组与三相电网直连的异步发电机，以及连接发电机转子和定子输出端的变频器，采用ATP/EMTP中的UM1同步电机模型进行等效，变压器采用ATP/EMTP中SatTrafo模型来等效风力发电机组升压变压器。4.根据权利要求2所述的一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，其特征在于，所述步骤1.1中建立电流模时，在ATP/EMTP仿真中，采用霍德勒雷电流数学模型，其函数表达式如...

【专利技术属性】
技术研发人员：王倩，李杰，吉晨杰，孙金鸽，孙雯，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61