一种旋转风机多接闪器叶片雷击概率分布计算方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及风机雷电防护技术，具体涉及一种旋转风机多接闪器叶片雷击概率分布计算方法及系统，该方法建立了考虑叶片不同旋转角度

【技术实现步骤摘要】
一种旋转风机多接闪器叶片雷击概率分布计算方法及系统


[0001]本专利技术属于风机雷电防护
，特别涉及一种旋转风机多接闪器叶片雷击概率分布计算方法及系统
。

技术介绍

[0002]新能源替代化石能源对于能源系统转型有着举足轻重的作用
。
风能分布广泛，资源丰富，且开发历史悠久，是目前建设规模较大，发展前景较好的可再生能源之一
。
随着风电技术的进一步发展和成熟，大规模风电场建设以及大单机容量风机投运成为目前风电发展的重要趋势
。
[0003]为了获取更多发电量和更大的发电效率，风力发电机的单台装机容量呈现不断增加的趋势
。
叶片遭受雷击的概率和损坏风险也大幅增加，现代大容量风机叶片雷击损坏率较二十年前的小容量风机增加了5倍以上
。
由于风机在遭受雷击时，叶片常处于旋转状态，使得风机遭受雷击的物理过程可能与静止的高耸目标物存在明显的差异
。
然而，由于目前针对旋转风机叶片雷击物理过程和接闪机理的研究较少，现行风机接闪系统设计多依靠借鉴或移植传统静止目标物的防雷经验，已不能满足风机雷电防护设计的需求，不仅给风力发电安全带来巨大隐患，同时造成了巨大的经济损失
。
[0004]风机接闪特性会受到风机高度
、
叶片接闪器结构以及风机旋转特性的影响，因此对风机叶片雷电屏蔽的仿真计算有必要将其考虑进去
。
目前主流应用的雷电屏蔽计算模型中，主要有电气几何模型和先导发展模型r/>。
电气几何模型由于无法考虑上行先导，不适用于高耸目标物的雷电接闪计算
。
先导发展模型计算需求大，计算时间长，不适用于风机等复杂目标物的雷电屏蔽计算
。
因此目前有诸多学者，提出利用先到发展法计算高耸目标物的随雷电流变化的雷电击距，并结合电气几何模型对结构复杂目标物进行计算，进而将风机高度和叶片接闪器结构等纳入到雷电屏蔽模型考虑因素当中
。

技术实现思路

[0005]针对
技术介绍
存在的问题，本专利技术提供一种旋转风机多接闪器叶片雷击概率分布计算方法
。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种旋转风机多接闪器叶片雷击概率分布计算方法，包括：
[0007]建立风机叶片电气几何模型；
[0008]计算雷电流幅值概率分布；
[0009]计算雷电入射角分布；
[0010]计算叶片暴露距离和屏蔽距离；
[0011]计算叶片接闪器系统屏蔽效率；
[0012]根据雷电流幅值
I
，入射角度为
ψ
，叶片角度为
θ
时的暴露距离
W
e
和屏蔽距离
W
s
，得到该工况下的叶片接闪效率为：
[0013][0014]对不同雷电流幅值，不同雷电入射角度以及不同叶片接闪角度进行循环计算，得到风机叶片接闪系统雷电屏蔽效率计算公式：
[0015][0016]其中，
I
min
为能造成风机叶片损坏的最小雷电流；
I
max
为最大雷电流取值；
P(I)
为出现该雷电流幅值的概率密度；
ψ
max
和
ψ
min
规定了雷电入射角度取值范围，不考虑雷电负角度从下往上绕击的情况，雷电入射角度范围为0‑
π
；
P(
ψ
)
为出现该雷电入射角度的概率密度；
θ
max
和
θ
min
规定了叶片角度取值范围；
[0017]根据上述计算方法，进行旋转风机叶片接闪系统雷电屏蔽效率的计算
。
[0018]在上述旋转风机多接闪器叶片雷击概率分布计算方法中，所述建立风机叶片电气几何模型包括以下步骤：
[0019](1)
不同位置接闪器雷电击距通过先导发展模型计算，将不同位置叶片本体的击距视为固定值，取叶片本体沿轴向中点的击距作为击距值，且将前缘和后缘所在直线视为沿风机叶片中轴线对称分布，暴露弧沿前缘和后缘所在直线对称分布；
[0020](2)
当叶片呈
90
°
垂直时，将叶片两侧的屏蔽弧和暴露弧视为对称分布；当叶片呈非
90
°
时，将叶片前缘和后缘的暴露弧和屏蔽弧视作以叶片轴线对称；
[0021](3)
当雷电流幅值达到一定值后，叶片叶尖接闪器的屏蔽弧相交时，所有叶片本体均在屏蔽弧的屏蔽范围内；
[0022](4)
对0‑
90
°
或者
90
°‑
180
°
的叶片工况进行计算
。
[0023]在上述旋转风机多接闪器叶片雷击概率分布计算方法中，所述计算雷电流幅值概率分布包括：
[0024]采用过程法对雷电流幅值概率分布进行定义，雷电流幅值累积概率分布计算公式如下：
[0025][0026]其中，
I
为雷电流幅值，
kA
；
P
为雷电流幅值比
I
大的概率；
[0027]雷电流概率密度分布的计算公式可表示为：
[0028][0029]在上述旋转风机多接闪器叶片雷击概率分布计算方法中，所述雷电入射角分布采用如下拟合公式：
[0030][0031]其中，为雷电入射角，在
‑0至
π
间变化
。m
和
K
m
为拟合常数，当
m
＝1时，
K
m
取
1/2
；当
m
＝2时，
K
m
取
2/
π
；当
m
＝3时，
K
m
取
3/4
；当
m
取正无穷时，雷击情况变为所有雷击与地面垂直；冬季闪电的情况下，取
m
＝2；夏季闪电的情况，取
m
＝
3。
[0032]在上述旋转风机多接闪器叶片雷击概率分布计算方法中，所述计算叶片暴露距离
和屏蔽距离包括：
[0033](1)
入射角度为
<
＝
90
°
：
[0034]暴露距离和屏蔽距离分别表示为：
[0035]W
s
＝
l
AB
+l
BC
+l
DE
[0036]W
e
＝
l
CD
+l
EF
[0037]其中，
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种旋转风机多接闪器叶片雷击概率分布计算方法，其特征在于，包括：建立风机叶片电气几何模型；计算雷电流幅值概率分布；计算雷电入射角分布；计算叶片暴露距离和屏蔽距离；计算叶片接闪器系统屏蔽效率；根据雷电流幅值
I
，入射角度为
ψ
，叶片角度为
θ
时的暴露距离
W
e
和屏蔽距离
W
s
，得到该工况下的叶片接闪效率为：对不同雷电流幅值，不同雷电入射角度以及不同叶片接闪角度进行循环计算，得到风机叶片接闪系统雷电屏蔽效率计算公式：其中，
I
min
为能造成风机叶片损坏的最小雷电流；
I
max
为最大雷电流取值；
P(I)
为出现该雷电流幅值的概率密度；
ψ
max
和
ψ
min
规定了雷电入射角度取值范围，不考虑雷电负角度从下往上绕击的情况，雷电入射角度范围为0‑
π
；
P(
ψ
)
为出现该雷电入射角度的概率密度；
θ
max
和
θ
min
规定了叶片角度取值范围；根据上述计算方法，进行旋转风机叶片接闪系统雷电屏蔽效率计算
。2.
根据权利要求1所述旋转风机多接闪器叶片雷击概率分布计算方法，其特征在于，所述建立风机叶片电气几何模型包括以下步骤：
(1)
不同位置接闪器雷电击距通过先导发展模型计算，将不同位置叶片本体的击距视为固定值，取叶片本体沿轴向中点的击距作为击距值，且将前缘和后缘所在直线视为沿风机叶片中轴线对称分布，暴露弧沿前缘和后缘所在直线对称分布；
(2)
当叶片呈
90
°
垂直时，将叶片两侧的屏蔽弧和暴露弧视为对称分布；当叶片呈非
90
°
时，将叶片前缘和后缘的暴露弧和屏蔽弧视作以叶片轴线对称；
(3)
当雷电流幅值达到一定值后，叶片叶尖接闪器的屏蔽弧相交时，所有叶片本体均在屏蔽弧的屏蔽范围内；
(4)
对0‑
90
°
或者
90
°‑
180
°
的叶片工况进行计算
。3.
根据权利要求1所述旋转风机多接闪器叶片雷击概率分布计算方法，其特征在于，所述计算雷电流幅值概率分布包括：采用过程法对雷电流幅值概率分布进行定义，雷电流幅值累积概率分布计算公式如下：其中，
I
为雷电流幅值，
kA
；
P
为雷电流幅值比
I
大的概率；雷电流概率密度分布的计算公式可表示为：
4.
根据权利要求1所述旋转风机多接闪器叶片雷击概率分布计算方法，其特征在于，所述雷电入射角分布采用如下拟合公式：其中，为雷电入射角，在
‑0至
π
间变化
。m
和
K
m
为拟合常数，当
m
＝1时，
K
m
取
1/2
；当
m
＝2时，
K
m
取
2/
π
；当
m
＝3时，
K
m
取
3/4
；当
m
取正无穷时，雷击情况变为所有雷击与地面垂直；冬季闪电的情况下，取
m
＝2；夏季闪电的情况，取
m
＝
3。5.
根据权利要求1所述旋转风机多接闪器叶片雷击概率分布计算方法，其特征在于，所述计算叶片暴露距离和屏蔽距离包括：
(1)
入射角度为
<

【专利技术属性】
技术研发人员：杨仟慧，许军，邓冶强，王羽，蓝磊，文习山，方超颖，郑钟楠，谢文炳，王晓杰，陈金玉，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：