雷击碳纤维叶片的表面场强分布与附着特性研究

风电场中使用碳纤维叶片的风机正在逐年增多,为了研究碳纤维应用在风机叶片时的雷击附着特性,文中建立了碳纤维和玻/碳纤维混合风机叶片的三维电磁场仿真模型,基于有限积分法和理想边界拟合技术,通过计算不同材料叶片表面场强分布,分析了下行先导位置和叶片材料影响雷击附着特性的原因,研判了接闪器对碳纤维叶片的保护能力.研究结果表明:...     

双接闪器叶片风电机组缩比模型雷击附着特性

风电机组叶片的雷击损害近年来频繁发生,叶片双接闪器布置是常见的风电机组雷电保护方式。针对2MW、40m双接闪器叶片风电机组,采用1.2/50μs冲击电压波形、1:100缩比比例开展缩比模型雷击附着试验,设计针对风电机组的缩比模型附着性能试验方法,研究雷电先导位置、叶片旋转角度对附着位置及接闪概率的影响。结果表明,高度较高、风机正上方的雷电先导更容易附着在叶片叶尖接闪器上,高度较低、位于风机侧方的雷电先导可能附着在叶片中部接闪器、机舱和避雷针,甚至叶片绝缘部分。风机叶片旋转角度对风机各组件的雷击附着率存在一定影响,叶片垂直向上时接闪器保护效率最高,叶片水平时保护效率最低。试验结果对理解风机雷击附着特性及其损坏具有指导意义。     

风机叶片雷击附着区域数值仿真及防护

风机叶片的雷电防护是风机安全运行的一个重要因素。为了研究风机叶片的雷击附着规律,通过对"云-地"线状雷电先导发展机理的分析,提出了一种基于静电场仿真分析的方法来确定雷击初始附着区域。建立了风机叶片以及下行先导的全尺寸模型,采取有限元法,运用3维电磁场仿真软件分析了雷电先导在风机叶片上的附着特点,优化了接闪器的布置方式,进而分析了叶片接闪器数量、大小对拦截效果的影响,并得出了叶片旋转过程中不同角度的雷击概率特点。研究结果表明:风机叶片叶尖位置雷击概率较高,接闪器布置应尽量靠近叶尖;当单个接闪器横截面积符合IEC 61400-24:2010标准规定的最小值50 mm2时,拦截效果最佳;增大接闪器横截面积及增加接闪器数量对于提高接闪器的拦截效果有限;叶片旋转角α小于45°时,易遭遇雷击,随着叶片旋转角增大,雷击概率逐渐降低,当α等于60°时,雷击概率降至最低。该研究结果可为进一步研究风机遭遇雷电时的电磁辐射特性提供依据。     

基于雷电上行先导起始物理机制的风机叶片雷击概率评估模型

风机叶片雷击损伤事故严重威胁风电场正常运行,传统分析方法无法给出叶片表面任意点雷击概率,现有叶片防雷系统设计尚无成熟理论作为指导。该文基于上行先导起始物理机制,提出了风机叶片表面任意位置雷击概率计算方法,建立了风机叶片雷击概率评估模型。考虑不同叶片姿态、下行先导侧面距离、接闪器布置方式等因素,分析了1.5MW典型风机在不同工况下雷击概率分布,并与试验结果相对照,验证了模型的有效性。结果表明:接闪器保护范围随叶片角度变化而变化,呈现不对称的特点,雷电下行先导侧面距离对接闪器保护范围的影响具有方向性,叶尖接闪器的防护效果优于叶身接闪器。该评估模型可为叶片防雷系统优化设计提供理论分析工具。     

雷击风机叶片的跃变击距特性与定量表征

风机叶片对雷电的接闪是风机防雷研究中的关键内容,合理分析接闪时的击距特性意义重大。基于雷击过程的物理机制,将雷击发生时上、下行先导头部间的距离定义为跃变击距,并分析了多上行先导竞争对风机接闪和跃变击距的影响。基于先导起始和发展理论,根据下行先导的等效模型和稳定上行先导的判定方法建立了风机叶片接闪模型,利用该模型得到了随雷电流幅值变化的跃变击距公式,指出侧面距离等参数对跃变击距没有影响,实验和观测结果证明了模型的正确性。最后利用接闪模型提出了考虑稳定上行先导对周围电场畸变作用的对地击距公式,与其他学者计算的结果进行对比指出,现有对地击距公式或不适用于风机背景的防雷计算。     

风力发电机接闪系统失效风险定量评估方法研究

雷害问题严重影响风机的正常运行,但针对风机接闪系统的失效风险,目前鲜有定量的分析和评估方法。基于先导发展物理模型,提出风机接闪系统雷击屏蔽失效率的定义和计算方法,并通过叶片雷击模拟实验验证了方法的有效性。比较分析了不同接闪系统型式叶片的雷击屏蔽失效率,并考虑了风机旋转角度和海洋盐雾附着对雷击屏蔽失效率的影响。分析表明,相比于接闪器–引下线结构型式和叶尖包覆铜网型式,采用主梁包覆铜网型式的叶片雷击屏蔽失效率最小,但综合考虑经济性和易维护性,推荐采用叶尖包覆铜网的接闪系统型式。提出的定量分析方法可为风机叶片接闪系统的优化设计和失效风险评估提供依据。     

风力发电机叶片雷击接闪特性研究综述

风力发电已成为全球领域推荐能源转型的核心技术和应对气候变化的重要途径。雷击是造成风力发电机损坏的主要原因之一。由于风电机结构和机组位置的特殊性,其雷击特性和防护措施与普通雷击目标物具有明显差异。该文对近年来风电场雷击自然观测、雷击风机模拟试验、雷击风机接闪过程数值计算以及接闪失效和系统优化设计等方面的研究前沿进展进行了总结和分析。主要结论为:1)由于风机尺寸越来越大,风力发电机雷击风险与上行先导关系更紧密,不同极性的雷电引发风机上行先导能力存在差异,进而影响到风机的接闪特性。2)由于风机长时间处于旋转状态,叶片旋转会影响风力发电机的引雷能力和接闪位置,但目前研究对旋转影响风机接闪放电过程机理的阐释仍未完善。3)风机数量、安装位置、外部环境等对风电机组雷击风险有较大影响,风电机组群多先导相互竞争的接闪机制以及雷击风险评估方法还有待深入研究。4)目前叶片接闪系统设计简单,设计未能充分考虑风力发电机实际接闪过程和雷击机理,接闪系统的科学性有待进一步论证。     

风电机组叶片雷击风险分布特征EI北大核心CSCD

风机叶片极易遭受雷击损伤,严重威胁风电场安全稳定运行。该文基于自洽先导起始发展模型,提出雷击叶片表面任一位置计算方法,建立叶片下行雷击风险分布计算模型。定义地面雷击截收区域和临界叶尖保护失效雷电流,考虑雷电流幅值、叶片旋角和叶片长度,计算不同装机容量叶片雷击风险分布。结果表明,叶尖保护范围随雷电流幅值的降低而降低;临界叶尖保护失效雷电流随叶片旋角的增加而减小。靠近叶尖区域的雷击风险随叶片长度的增加而减小。该文将叶片划分为Z1、Z20和Z21区域,分析不同区域叶片雷击击穿过程,建议对不同区域进行差异化雷电防护。     

雷电下转动风机叶片接闪特性模拟试验研究

风力发电机在遭受雷击时叶片一般处于转动状态,而叶片转动对其雷击接闪特性的影响尚不明确。为探究转动风机的叶片雷击接闪特性,设计了可控转速的1:30缩比2 MW风机模型与适合试验的弧面电极,采用标准负极性操作波,制作了2种类型的叶尖接闪器,开展了1 m间隙时不同转速下的大量接闪试验。试验结果表明,在1 m间隙下,无论叶尖是接闪帽还是接闪盘配置,间隙击穿电压均随着转速的提升而升高,而风机静止时击穿电压会随接闪叶片角度增大而升高。分析认为,叶片旋转会导致叶尖区域积聚的正离子浓度降低,抑制了上行先导的发展,从而提升了击穿电压。根据试验结果推断,在此工况下风机旋转会降低其引雷能力。试验结果对风机的防雷设计具有参考意义。     

旋转状态下风机叶片雷击接闪特性的实验研究

风机雷击事故频发,严重威胁风电场正常运行。现场观测数据表明,旋转风机更易遭受雷击。对此该文设计1:30缩比可旋转3MW风机模型,模拟真实风机旋转叶尖线速度,使用正负极性标准操作波,利用长间隙放电模拟真实雷电,开展旋转状态下风机叶片防雷装置接闪特性研究。实验结果表明,旋转会对接闪过程中叶片接闪点分布与接闪后放电通道产生影响,放电具有明显的极性效应。旋转使得正极性放电下叶片接闪器拦截效率下降;对负极性影响较小。正极性放电更易击中远离叶尖部位。成功接闪后,接闪点附近放电通道因叶片旋转发生偏移,产生"拉弧"现象,造成叶片损伤,并与实际风机受损情况相对应。所得结果为风机叶片防雷优化设计提供参考。     

大型风电场雷击防护研究面临的关键问题

从风电场雷击现场观测与长间隙放电实验模拟、叶片雷击接闪放电、风电机组雷击风险评估与防雷系统优化设计、叶片雷击损伤机制、雷击电磁暂态与防护、叶片防雷系统测试方法、海洋环境风机防雷新问题等方面,对风电场雷击防护技术领域的国内外研究现状进行了总结。梳理出5个亟待解决的问题:风机旋转对叶片附近空间电荷的影响;叶片接闪的极性效应与负极性上行先导物理模型;多先导起始竞争机制及风机群屏蔽效应;雷击桨叶损伤机制与冲击爆裂动力学建模;风电机组雷击风险评估方法。对这些问题的有效解决将从理论基础、设计原则、评估测试体系等多个层面,提升对风电场雷击现象的认知水平,指导风机桨叶和防雷系统的优化设计。     

风力发电机叶片叶尖段外覆导体接闪系统的雷击防护性能研究

风力发电机叶片的雷击防护问题一直是风电系统安全运行关注的焦点。随着风电机组单机容量的增加,塔筒的高度、叶片的长度也随之增长,叶片接闪系统的雷击防护失效问题愈加严重。为了解决GFRP叶片复合材料的雷击击穿问题,提出一种在叶片前缘/尾缘外覆条形导体的接闪系统设计方案,可降低叶片内部接地引线表面电场强度,减小接地引线产生放电并引起叶片外部放电接闪的概率。建立风力发电机三维雷击先导发展模型,计算分析不同外覆导体长度、不同运行工况条件下叶片接闪系统的防护效果,结合现场运行数据,确定外覆导体的最优设计长度为叶片总长度的12%,此时可减少92%的雷击事故。开展雷电/操作冲击下模拟叶片放电击穿试验,对比敷设和不敷设外覆导体时叶片的放电击穿概率,结果表明叶片前缘/尾缘外覆的条形导体对其敷设范围内的下行先导可全部有效接闪,防止叶片击穿,而对其敷设范围以外的下行先导外覆导体的防护效果大幅下降,验证了外覆导体接闪系统防护的有效性和局限性。     

基于雷电物理的风机叶片动态击距与电气几何模型

风机叶片遭受雷击现已成为风电场亟需解决的问题之一。该文将电气几何方法与雷电先导发展的物理过程相结合,提出了针对风机叶片的电气几何分析模型。通过引入风机叶片动态击距的概念及分析方法,模拟了雷电先导的发展过程,使得击距的物理意义更加清晰,并进一步推导了叶片防雷系统效率的计算方法,最后基于风机叶片长间隙下击穿实验验证了该模型的有效性。利用提出的风机叶片电气几何模型,分析了叶片角度、雷电流幅值和接闪器布置对防雷系统效率的影响,分析发现叶片越接近水平、雷电流幅值越小叶片防雷系统效率越低,增设叶片侧接闪器能够有效提高防雷系统效率。该文提出的方法拟为风机叶片的防雷设计与评估提供理论依据。     

叶片转动对风机引雷能力影响的模拟试验研究

风力发电机组与其它地面雷击目标物相比,最显著的特征是其叶片在遭受雷击时一般处于转动状态。为了研究叶片转动对风机引雷能力的影响机理,该文设计选取了适用于研究风机接闪试验的圆弧形高压电极,施加负极性250/2500μs标准操作波,对典型2MW风机的1:30微缩模型进行了叶片静止和旋转等不同状态下的接闪放电比对试验。采用升降法获取50%放电电压,并进行放电过程观测,结果表明:在1和1.3m间隙条件下,击穿电压随着叶片转速的提升而提升,先导连接位置随着转速的提升更加接近叶尖,叶片转动导致风机的引雷能力降低。分析认为叶片的旋转改变了叶尖区域的电荷分布,使叶尖上行先导发展不充分,从而影响了放电发展过程。所得结果可为风电机组的防雷保护提供参考借鉴。     

风机叶片雷击上行先导的起始物理机制与临界长度判据

作为风机叶片防雷研究过程中的关键物理问题,关于叶片上行先导起始机制及其判据的研究尚待深入。该文利用线电荷和头部点电荷的等效模型模拟雷电下行先导电荷分布,考虑到叶片附近空间电荷的运动、扩散与中和现象,计算了叶片表面电荷密度曲线,发现正电荷集中分布在叶片尖端。利用有限元仿真软件COMSOL计算发现,在雷电下行先导通道内电荷与叶片表面电荷的共同影响下,叶片尖端附近电位发生明显的畸变。基于叶片上行先导发展过程的简化模型,提出了临界长度判据:在叶片尖端上部存在空间背景电势大于流注区域电势的区域,当该区域长度大于临界长度时,稳定连续的上行先导起始。雷电参数(雷电流幅值,下行先导侧面距离等)和风机叶片参数(叶片长度,接闪器半径等)对临界长度无影响;临界长度随空气相对密度、湿度的增加而减小,随海拔的增加而增大。仿真结果与长间隙放电观测数据相符合,验证了该判据的有效性。     

接闪器对旋转风机引雷能力影响的试验研究

为研究接闪器对旋转风机引雷能力的影响机理,设计了典型2 MW容量风机的1:30微缩模型,考虑了叶尖部分2种典型接闪器类型,利用波形参数为-250/2 500μs的负极性操作冲击波开展了旋转风机模型的接闪放电试验。试验采用升降法获取了各工况条件下的50%放电电压,并进行了放电过程观测。试验结果表明:在长度为1 m的间隙条件下,间隙的击穿电压随着叶片转速的升高而提升,最多提升4.07%;同时,随着接闪器曲率半径的增大,间隙击穿电压降低,迎面流注的连接位置更加接近高压电极,风机的引雷能力也增强,叶片转动对风机引雷能力的影响程度减小。分析认为,接闪器的曲率半径和叶片的转动改变了叶尖区域的电荷分布,对叶尖接闪器流注的产生和发展产生影响,从而改变了风机的引雷能力。试验结果为风电机组的接闪器设计提供了参考借鉴。     

基于引雷空间理论的水平接闪器年雷击率预测方法

介绍了一种基于引雷空间理论的水平接闪器年雷击率的预测方法。该方法考虑了水平接闪器的引雷空间域和雷电下行先导随机取向角的影响,加权处理了不同雷电极性下的等值受雷面积,根据等值受雷面积和地面落雷密度对水平接闪器的年雷击率作出预测,该方法明显改善了定量计算精度和有效性,预测结果与实测结果基本一致。     

大型风机叶片雷击多通道电弧气爆损伤的实验

风机叶片雷击事故多发,而雷击下桨叶机械损伤机理的研究很少。通过调研风电场雷击数据和实验模拟,获得雷击位置分布规律,结合桨叶材料损伤得到雷击电弧多通道路径。采用极细镍铬丝铺设电弧路径,对5m长风机叶片开展大电流注入实验,发现引下线在两腹板之间,会减小后缘开裂长度,但将对后缘腹板及两腹板之间区域造成巨大损伤;引下线在后缘腹板外侧,可将损伤控制在后缘腹板之外。引弧孔距叶尖较远时,损伤以引弧孔为中心向两侧等距延伸;引弧孔距叶尖越近,叶尖方向的损伤越严重,直至危及叶尖接闪器。高速相机拍摄的动态过程表明,叶尖方向的损伤主要缘于电弧气流的多次回流冲击。研究成果可帮助揭示叶片动态损伤机制,指导其防雷设计。     

雷电发展对高速铁路周围电场分布影响的研究

雷害是影响高速铁路安全稳定运行的关键因素之一,研究雷电先导作用下高速铁路周围电场的变化规律对于高速铁路雷击机理的阐明具有重要意义。文中结合先导法建立了高速铁路三维雷击仿真模型;通过调整导体携带电荷量、高度及侧面距离,来模拟不同雷电流幅值以及先导空间位置对高速铁路周围电场分布的影响;并对比分析了高架区段和路基区段高速铁路周围场强分布情况。研究发现,在雷电流幅值为数千安时,高速铁路周围仍有上行先导产生,因此认为在雷击计算中,雷电流较小情况仍需考虑上行先导;随着雷电流幅值、下行先导空间位置的变化,避雷线总是比其他导线更容易产生上行先导;高架区段接触网场强值约为路基区段的1.4倍,因此高速铁路雷电防护的防雷设计施工要求高架区段应高于路基区段。     

风力发电机组下行雷击风险计算方法

风力发电机组年雷击事故次数是评估机组雷击防护水平、指导机组雷击防护系统设计和优化的重要指标。机组年雷击事故次数与机组年雷击次数有关。目前,广泛应用IEC标准中推荐的经验公式进行机组下行雷击风险评估。IEC推荐方法脱离雷击物理过程,无法反映雷电流幅值、机组几何形状等因素对机组雷击截收区域面积的影响。该文提出了一种基于自洽先导起始发展模型的风力发电机组下行雷击风险计算方法,该方法可以体现雷击接闪物理过程。验证计算表明方法计算所得机组年负极性下行雷击次数相比IEC推荐方法的计算结果更接近观测获得的机组实际年负极性下行雷击次数。利用该方法,进一步计算获得了机组容量与机组下行雷击风险之间的定量关系,并讨论了叶片旋转对机组下行雷击风险的影响。