【爱邦电磁】一种风机叶片接闪器设计方法仿真研究

1、 【爱邦电磁】一种风机叶片接闪器设计方法仿真研究 关键词： 风电产业 风电叶片 风机叶片随着风电产业的不断发展，风电机组的叶片越来越长，雷电对风机叶片等部件损伤事件也不断增多。由于风机叶片造价高，维修费用大，一旦雷击损毁会造成巨大经济损失，因此需要对叶片进行合理的雷电防护设计。本文提出了一种风机叶片接闪器布局方式，并通过仿真方法进行了验证。仿真模型设计如图1所示，将高压棒电极放置到叶尖接闪器与叶身接闪器中点正上方h处，模拟雷击过程中第一个叶身接闪器与叶尖接闪器的接闪情况。理论上电极距离叶片越近，雷电路径越难偏向，考察条件也越严酷，因此设定h=2m布置电极。由实际经验可知叶片与地面的夹角越大，叶

2、片上的高电势区域越靠近叶尖，雷电路径越易于偏向叶尖。因此水平情况下的仿真模型是最严酷的情况。图1：叶片与地面夹角为0度时模型设计由于仿真计算出的电势结果无法直接衡量雷击接闪情况，本文根据大量试验的统计结果和理论分析，得出雷击路径系数的经验公式如下：其中，k为雷击路径系数，u1为电极的电势，u2为与电极正对的叶片表面电势，h为电极与叶片表面的垂直距离，d为电极与接闪器之间距离。k值是衡量雷击至接闪器还是雷击至叶片的路径系数。k值越大，雷电路径偏向接闪器的概率越大，即雷电击中接闪器的概率越大；k值越小，雷电路径偏向叶片表面的概率越大，即雷电击中叶片的概率越大。结合仿真与试验结果，得出k=0.796

3、为临界雷电路径系数。当k0.796，雷电击中接闪器；当k0.796，叶尖接闪器和叶身接闪器的间距需要小于2.7m，见图2中红点处。通过同样的计算方法，计算h分别为2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m和9m时，不同叶片间距的雷电路径系数，将计算结果绘制成图3。图3：不同接闪器间距的雷电路径系数从图3可以看出，h越小，要满足k0.796，接闪器间距越小；h越大，接闪器需要间距越大。由于叶片与地面的夹角越大，叶片上的高电势区域越靠近叶尖，雷电路径越易于偏向叶尖。在接闪器间距设计时，接闪器越靠近叶尖，叶片与地面的夹角考察越小；接闪器越远离叶尖，叶片与地面的夹角考察的可以放大。本文在考察叶尖接闪器和

4、第一个叶身接闪器时叶片角度为0度，考察第一个叶身接闪器和第二个叶身接闪器间距时叶片角度为5度，考察第二个叶身接闪器和第三个叶身接闪器间距时叶片角度为10度。由上文已知叶尖接闪器和第一个叶身接闪器间距为2.7m。当叶片和地面夹角为5度时，第一个叶身接闪器距地的距离抬高了4.9m，对应的电极的距离也抬高了4.9m，依据图3可知5度时第一个叶身接闪器和第二个叶身接闪器的间距应为7.5m左右。当叶片和地面夹角10度时，第二个叶身接闪器距地的距离抬高了8.47m，对应的电极的距离也抬高了8.47m，依据图3可知10度时第二个叶身接闪器和第三个叶身接闪器的间距应为14m左右。对以上设计结果进行验证，计算布局有叶尖接闪器和三个叶身接闪器的电势分布，并求出所有接闪器之间的雷击路径系数。叶尖接闪器和第一个叶身接闪器、第一个叶身接闪器和第二个叶身接闪器、第二个叶身接闪器和第三个叶身接闪器之间的雷击路径系数分别为0.81、0.805和0.802，都大于0.796。因此设计间距都在合理范围之内。本文给出了一种风机叶片接闪器设计方法，以