【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于风力发电机防雷设计领域，具体涉及一种旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的分析方法及装置。
技术介绍
1、近年来，世界风电发展突飞猛进，风电装机容量快速增加。风力发电机(以下简称风机)组在大规模应用过程中受到自然灾害的威胁已经越来越引起人们的重视，其中风机遭受雷击导致其不能正常运行是最重要的一种自然灾害。
2、目前，风机叶片的雷电防护系统通常由嵌于叶片表面的接闪器和内部的接地引下线组成，正常情况下，当其成功接闪时，雷电经接闪器由引下线泄流，避免了对叶片绝缘材料的烧蚀。然而，现场运维常发现叶片表面的烧蚀或击穿痕迹，这表明叶片雷电防护系统仍存在接闪失效情况。
3、接闪失效的原因与叶片绝缘表面的多荷电过程有关。已有研究认为风机叶片绝缘表面主要存在多种荷电方式，其一是摩擦荷电，大型风机叶尖线速度超过40m/s，高速旋转时，叶表会和空气及其中的悬浮微粒摩擦碰撞而沉积静电电荷。其二是电晕荷电，大气中本身存在的电势梯度足以使接闪器甚至引下线发生电晕放电(晴朗天气下，200m高空对地大约存在50kv电势差，雷雨天气下电势差更大)。
4、目前对于叶片绝缘表面的多种荷电过程仅有定性分析和推测，缺乏对旋转风机叶片绝缘表面荷电状态的量化表征以及叶片表面积聚的电荷如何影响空间电场分布的研究，不能为解决旋转风机叶片雷击接闪失效频发的工程问题提供基础。
5、当下，工程实际中运用的模拟电荷法(charge simulation method，csm)是基于电磁场的唯一性原理，将电极表面连续分布的自由电荷或
技术实现思路
1、为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的分析方法及装置，通过风洞试验、电位分布测量结合电荷反演和空间电场分布仿真，实现对风机表面多荷电状态耦合的电荷分布与空间电场分布的计算，并基于计算结果分析旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的规律。
2、根据本专利技术说明书的一方面，提供一种旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的分析方法，包括：
3、对带金属圆盘的绝缘表面样品进行风洞试验，并测量风洞试验后的绝缘样品表面的电位分布数据；
4、基于所述电位分布数据，结合电荷反演算法，得到带金属圆盘的绝缘表面样品的电荷密度分布；
5、基于仿真软件中的空间电场分布模型，结合反演得到的电荷密度分布，对稳态下的空间电场进行计算，得到带金属圆盘的绝缘表面样品的空间电场分布图。
6、作为进一步的技术方案，所述方法还包括：预先去除带金属圆盘的绝缘表面样品上的残留电荷，并将去除残留电荷后的样品静置在接地的金属板上直至风洞试验前。
7、作为进一步的技术方案，所述方法还包括：
8、将准备好的带金属圆盘的绝缘表面样品放入风洞试验平台，进行绝缘表面电晕荷电风洞试验；
9、将风洞试验后的带金属圆盘的绝缘表面样品放入电荷分布测量系统，利用静电探针测量绝缘样品表面的电位分布。
10、作为进一步的技术方案，所述方法还包括：搭建风洞试验平台，所述风洞试验平台包括形成直线型气流的试验段，所述试验段底部设置引导气流流动的直形引流板，所述试验段的进风口和出风口之间的部分直线连接形成通风道；所述直形引流板上放置带金属圆盘的绝缘表面样品，所述带金属圆盘的绝缘表面样品通过引下线连接电流测量系统；所述试验段的上方设置上板电极用于模拟雷云，所述上板电极连接直流高压发生器；所述试验段的下方设置下板电极用于模拟地面。
11、作为进一步的技术方案，基于所述电位分布数据，结合电荷反演算法，得到带金属圆盘的绝缘表面样品的电荷密度分布，包括：
12、基于试验模型设定计算电位-电荷转换矩阵；
13、引入lanczos-tikhonvo算法进行电位-电荷反演；
14、反演完毕，输出带金属圆盘的绝缘表面样品的表面电荷密度分布。
15、作为进一步的技术方案，所述方法还包括：改变试验要素，通过对比不同试验结果分析旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的规律。
16、根据本专利技术说明书的一方面，提供一种旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的分析装置，包括：
17、第一主模块，用于获取带金属圆盘的绝缘表面样品经风洞试验后的绝缘样品表面的电位分布数据；
18、第二主模块，用于基于所述电位分布数据，结合电荷反演算法，得到带金属圆盘的绝缘表面样品的电荷密度分布；
19、第三主模块，用于基于仿真软件中的空间电场分布模型，结合反演得到的电荷密度分布，对稳态下的空间电场进行计算，得到带金属圆盘的绝缘表面样品的空间电场分布图。
20、根据本专利技术说明书的一方面，提供一种旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的分析系统，包括：风洞试验平台、电荷分布测量系统及所述的旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的分析装置，所述风洞试验平台用于放入去除残留电荷后的带金属圆盘的绝缘表面样品，进行绝缘表面电晕荷电风洞试验；所述电荷分布测量系统，用于放入风洞试验后的带金属圆盘的绝缘表面样品，利用静电探针测量绝缘样品表面的电位分布。
21、作为进一步的技术方案，所述风洞试验平台包括形成直线型气流的试验段，所述试验段底部设置引导气流流动的直形引流板，所述试验段的进风口和出风口之间的部分直线连接形成通风道；所述直形引流板上放置带金属圆盘的绝缘表面样品，所述带金属圆盘的绝缘表面样品通过引下线连接电流测量系统；所述试验段的上方设置上板电极用于模拟雷云，所述上板电极连接直流高压发生器；所述试验段的下方设置下板电极用于模拟地面。
22、与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
23、(1)本专利技术以旋转风机叶片绝缘表面为研究对象，通过风洞试验模拟强电场下外绝缘表面电晕荷电量分布，通过静电探针法测量绝缘样品表面的电位分布，通过电荷反演算法反演出绝缘表面样品的表面电荷密度分布，再结合仿真软件中的空间电场分布模型，计算出带金属圆盘的绝缘表面样品的空间电场分布，进而根据带金属圆盘的绝缘表面样品的空间电场分布，分析叶片表面多荷电状态耦合时的电荷分布和电场分布。
24、(2)本专利技术通过改变风洞试验时的电场强度和/或高速气流，获取不同的试验结果，基于对不同试验结果的多荷电状态耦合分析，形成旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的规律。
25、(3)本专利技术提供了一种风机表面荷电过程中多荷电状态耦合的规律分析方法，填补了目前风机表面研究的空白，能够为将来系统化研究风机防护提供基础。
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1.一种旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的分析方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述一种旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的分析方法，其特征在于，所述方法还包括：预先去除带金属圆盘的绝缘表面样品上的残留电荷，并将去除残留电荷后的样品静置在接地的金属板上直至风洞试验前。
3.根据权利要求1所述一种旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的分析方法，其特征在于，所述方法还包括：
4.根据权利要求3所述一种旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的分析方法，其特征在于，所述方法还包括：搭建风洞试验平台，所述风洞试验平台包括形成直线型气流的试验段，所述试验段底部设置引导气流流动的直形引流板，所述试验段的进风口和出风口之间的部分直线连接形成通风道；所述直形引流板上放置带金属圆盘的绝缘表面样品，所述带金属圆盘的绝缘表面样品通过引下线连接电流测量系统；所述试验段的上方设置上板电极用于模拟雷云，所述上板电极连接直流高压发生器；所述试验段的下方设置下板电极用于模拟地面。
5.根据权利要求1所述一种旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的分析方法，其特征在于，基于所述电位分布
6.根据权利要求1所述一种旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的分析方法，其特征在于，所述方法还包括：改变试验要素，通过对比不同试验结果分析旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的规律。
7.一种旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的分析装置，其特征在于，包括：
8.一种旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的分析系统，其特征在于，包括：风洞试验平台、电荷分布测量系统及权利要求7所述的旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的分析装置，所述风洞试验平台用于放入去除残留电荷后的带金属圆盘的绝缘表面样品，进行绝缘表面电晕荷电风洞试验；所述电荷分布测量系统，用于放入风洞试验后的带金属圆盘的绝缘表面样品，利用静电探针测量绝缘样品表面的电位分布。
9.根据权利要求8所述一种旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的分析系统，其特征在于，所述风洞试验平台包括形成直线型气流的试验段，所述试验段底部设置引导气流流动的直形引流板，所述试验段的进风口和出风口之间的部分直线连接形成通风道；所述直形引流板上放置带金属圆盘的绝缘表面样品，所述带金属圆盘的绝缘表面样品通过引下线连接电流测量系统；所述试验段的上方设置上板电极用于模拟雷云，所述上板电极连接直流高压发生器；所述试验段的下方设置下板电极用于模拟地面。
...【技术特征摘要】
1.一种旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的分析方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述一种旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的分析方法，其特征在于，所述方法还包括：预先去除带金属圆盘的绝缘表面样品上的残留电荷，并将去除残留电荷后的样品静置在接地的金属板上直至风洞试验前。
3.根据权利要求1所述一种旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的分析方法，其特征在于，所述方法还包括：
4.根据权利要求3所述一种旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的分析方法，其特征在于，所述方法还包括：搭建风洞试验平台，所述风洞试验平台包括形成直线型气流的试验段，所述试验段底部设置引导气流流动的直形引流板，所述试验段的进风口和出风口之间的部分直线连接形成通风道；所述直形引流板上放置带金属圆盘的绝缘表面样品，所述带金属圆盘的绝缘表面样品通过引下线连接电流测量系统；所述试验段的上方设置上板电极用于模拟雷云，所述上板电极连接直流高压发生器；所述试验段的下方设置下板电极用于模拟地面。
5.根据权利要求1所述一种旋转风机叶片表面多荷电状态耦合的分析方法，其特征在于，基于所述电位分布数据，结合电荷反演算法，得到带金属圆盘的绝缘表面样品的电荷密度分布，包括：
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【专利技术属性】
技术研发人员：邓冶强，王羽，蓝磊，吴泽梁，吴强，金昕，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
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