風機葉片接閃器布局可靠性仿真分析與試驗驗證

康 楠，薛浩鵬，杜鳴心，韓 敏

(1.東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津300450；2.西安愛邦電磁技術有限責任公司 陜西西安710065)

0 引 言

隨著風力發電行業的快速發展，特別是南方雷電活躍地區裝機量的增加，葉片遭受雷擊的事故也越來越多，風電機組葉片的防雷問題愈發受到行業上下游的重視。葉片防雷系統的可靠性對于風機穩定運行至關重要[1]。通過計算機仿真對接閃器布局的合理性進行驗證，逐步得到推廣應用[2]。

1 某型號葉片雷擊附著點仿真

1.1 仿真設置

雷電問題屬于多物理場問題，當風機遭到雷擊時，雷電流流過風機，常常伴隨著電磁、熱、力效應。本仿真計算的電磁場方程主要為安培定律和電流守恒定律。仿真工具主要應用 COMSOL Multiphysics軟件，可滿足整機及系統級雷電電流瞬態或頻域問題的求解，以及復雜電磁環境問題的求解。

涉及到溫度的考量需要加載固體傳熱方程進行耦合，基本方程如下：

因為本項目仿真的熱源來自電磁，所以需要如下方程進行耦合：

本仿真以首個正極性電流脈沖為電流源，表達式為：

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值仿真，選用穩定性較好的自由四面體為基本網格單元對仿真體進行網格設計，圖2為基本網格單元示意圖。

圖2 基本網格單元Fig.2 Basic unit grid

風機葉片的網格設計如圖3所示。

圖3 風機葉片的網格設計Fig.3 Design of wind turbine blade grid

1.2 仿真結果

通過仿真設置計算出葉片上的電勢分布如圖 4所示。

根據大量試驗的統計結果和理論分析，得出雷擊路徑系數的經驗公式如下：

式中：K為雷擊路徑系數，U1為電極的電勢，U2為與電極正對的葉片表面電勢，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 葉片上雷電感應電勢分布Fig.4 Lightning induced potential distribution on blade

結合仿真與試驗結果，得出 K＝0.796為臨界雷電路徑系數。當 K＞0.796時，雷電擊中接閃器；當K＜0.796時，雷電擊中葉片[3]。

某型號葉片葉尖接閃器和第1個葉身接閃器、第1個葉身接閃器和第2個葉身接閃器、第2個葉身接閃器和第 3個葉身接閃器之間的距離分別為 2.7、7.5、14m。根據電勢及其位置關系計算出所有接閃器之間的雷擊路徑系數。葉尖接閃器和第一個葉身接閃器、第1個葉身接閃器和第2個葉身接閃器、第2個葉身接閃器和第 3個葉身接閃器之間的雷擊路徑系數分別為0.81、0.805和0.802，都大于0.796。表明設計間距在合理范圍之內。

2 某型號葉片雷擊附著點試驗

對該型號葉片進行雷擊附著點試驗。圖 5為以30°為例的試驗結果，所有試驗的結果見表 1。可以看出葉片雷擊附看點主要在葉尖接閃器上。

圖5 30°時4種葉片姿態下試驗結果Fig.5 Test result of 4 kinds of blades at 30°

表1 不同角度和葉片姿態下雷擊附著點試驗結果Tab.1 Test result of lightning strike attachment point with different angle and posture of blade

2.2 試驗結果

進行多種角度和葉片姿態的試驗布置說明：

①使用吊裝的方式將葉片吊起。

②放電距離，葉片最低點與接地平板的距離為2.0m。

③沖擊電壓發生器的輸出端連接至葉片防雷系統引下線。

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個最佳拍照位置布置相機，以保證清晰捕捉電弧放電位置。

3 結論和建議

①通過仿真可知雷擊附著點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通過試驗可知，該款葉片接閃器系統設計合理，雷擊附著點主要在葉尖接閃器上。

③仿真結果與試驗結果吻合度較高，仿真方法可以作為風機葉片雷擊附著點評估的有效手段之一。