風(fēng)電機(jī)組葉片防雷相似性對(duì)比研究

文 | 曾明伍，付斌，劉孟，杜鳴心，姚威

由于所處位置較高以及結(jié)構(gòu)的特殊性（尖銳的后緣和葉尖），葉片容易形成雷電上行先導(dǎo)，存在嚴(yán)重的雷擊威脅。為降低葉片雷擊損失，風(fēng)電行業(yè)實(shí)施葉片防雷認(rèn)證，確保葉片防雷系統(tǒng)的有效性和可靠性。目前，葉片防雷認(rèn)證主要通過需要制作葉片樣件的雷電試驗(yàn)進(jìn)行，不僅周期長、費(fèi)用高，而且存在同一設(shè)計(jì)理念需要重復(fù)驗(yàn)證的弊端，不利于新型號(hào)葉片的開發(fā)和項(xiàng)目投標(biāo)。IEC61400-24：2019標(biāo)準(zhǔn)中提及了葉片相似性對(duì)比的防雷系統(tǒng)考核評(píng)估方法，主要從長度、尖部區(qū)域特征尺寸、材料體系、防雷設(shè)計(jì)依據(jù)、接閃器布局等方面進(jìn)行對(duì)比和差異性驗(yàn)證，可以縮短防雷系統(tǒng)驗(yàn)證周期。

針對(duì)同一公司設(shè)計(jì)的兩款葉片，如果以上相似性條件完全滿足，一款葉片通過防雷認(rèn)證后，可以利用相似性對(duì)另一款葉片進(jìn)行防雷認(rèn)證；但如果個(gè)別技術(shù)條件不滿足，應(yīng)對(duì)差異進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估，確保被比較葉片的防雷功能滿足要求或更優(yōu)。大多數(shù)情況下，即使捕風(fēng)能力相差不大的兩款葉片，以上各方面的技術(shù)條件也很難完全滿足。因此，相似性防雷認(rèn)證的關(guān)鍵是對(duì)差異性進(jìn)行評(píng)估。

從防雷設(shè)計(jì)角度來看，葉片防雷系統(tǒng)的評(píng)估主要考慮整個(gè)系統(tǒng)的有效性和可靠性，目前行業(yè)內(nèi)的驗(yàn)證內(nèi)容包括可能雷擊點(diǎn)和閃絡(luò)路徑、熱效應(yīng)、沖擊效應(yīng)、電磁力幾個(gè)方面。由于參與防雷相似性對(duì)比的兩款葉片，具有相同的防雷設(shè)計(jì)理念以及相同的熱效應(yīng)、沖擊效應(yīng)以及電磁力應(yīng)對(duì)措施，因此差異性評(píng)估的主要內(nèi)容為可能雷擊點(diǎn)和閃絡(luò)路徑。目前，行業(yè)內(nèi)除了雷電試驗(yàn)的評(píng)估方法之外，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)也有較多應(yīng)用，采用雷電感應(yīng)模型可以模擬雷電初始先導(dǎo)階段葉片表面的電場分布，根據(jù)電勢差異確定可能的雷電初始附著區(qū)域和閃絡(luò)路徑。綜合以上分析，兩款葉片防雷系統(tǒng)的相似性認(rèn)證應(yīng)先按照IEC61400-24：2019標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求進(jìn)行相似性對(duì)比，然后分析超過偏差的內(nèi)容，必要時(shí)通過雷電試驗(yàn)或仿真進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估，認(rèn)證思路如圖1所示。本文根據(jù)IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合雷電仿真分析和試驗(yàn)，研究了通過相似性對(duì)比驗(yàn)證葉片防雷系統(tǒng)方法的可行性。

葉片相似性對(duì)比

一、相似性匯總

圖1 相似性防雷認(rèn)證思路

表1 葉片相似性對(duì)比結(jié)果

本文研究的對(duì)象為東方電氣的兩款葉片，其中A葉片長度56m，葉片表面積約270m2，額定功率2MW，于2017年完成IEC61400-24：2010防雷認(rèn)證；B葉片為新設(shè)計(jì)葉片，長度61m，葉片表面積和額定功率與A葉片相同。以A葉片為參考，對(duì)新設(shè)計(jì)的B葉片進(jìn)行長度、尖部區(qū)域特征尺寸、材料體系、防雷設(shè)計(jì)依據(jù)、接閃器布局等方面的差異進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。

二、差異性分析

兩款葉片在尖部區(qū)域的翼型厚度、寬度、接閃器數(shù)量方面存在較大差異。從葉片防雷角度來看，翼型的厚度主要影響葉片接閃系統(tǒng)的雷電接閃。一般情況下，較厚的葉片翼型具有更大的內(nèi)腔間隙，能夠提升雷擊從殼體至內(nèi)部引下線的擊穿電壓，使得接閃系統(tǒng)更易接閃雷電。從以上分析來看，B葉片翼型厚度小，相比A葉片，防雷系統(tǒng)接閃性能可能下降。

葉片的寬度主要影響接閃系統(tǒng)的布局。一般來說，葉片的后緣是容易遭受雷擊的區(qū)域，接閃器應(yīng)盡可能布置在此區(qū)域，提升接閃效率。但隨著葉片寬度的增加，接閃系統(tǒng)為兼顧葉片前緣的防護(hù)，通常布置在距前、后緣適中的位置。B葉片比A葉片更窄，葉片接閃器布置更靠近后緣，接閃器效率更高。

葉片接閃器的數(shù)量主要依據(jù)葉片長度和適用環(huán)境而定，根據(jù)國內(nèi)的葉片防雷研究，目前比較可行的方法是通過仿真計(jì)算進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，原則上葉片越長，接閃器數(shù)量應(yīng)該越多。B葉片比A葉片具有更大的長度，增加2組接閃器，葉片雷電接閃能力更佳，防雷系統(tǒng)將更有效。

綜合以上分析，與A葉片相比，雖然B葉片具有對(duì)防雷系統(tǒng)不利的翼型厚度，但接閃器布置更靠后緣，且數(shù)量更多，防雷系統(tǒng)效果的差異無法直接評(píng)估，因此，下文將進(jìn)行雷電仿真計(jì)算分析。

差異性的仿真評(píng)估

一、仿真原理

仿真計(jì)算采用多臺(tái)HP Z840專業(yè)數(shù)值工作站。仿真工具主要應(yīng)用COMSOL Multiphysics軟件，滿足整機(jī)及系統(tǒng)級(jí)雷電電流瞬態(tài)或頻域問題以及復(fù)雜電磁環(huán)境問題的求解。仿真計(jì)算用到以下物理公式：

（1）安培定律

（2）電流守恒定律

（3）固體傳熱方程

（4）電磁傳熱方程

以上各式中，為磁矢量；Je為外加電流源；為導(dǎo)體的速度，此處為零；V為電勢；ρ為密度；CP為常壓熱容；為速度場；T為溫度；為熱通量矢量；Q為熱源；Qted為熱電阻尼；Qe為電磁熱源；k為導(dǎo)熱系數(shù)；J為電流密度；為電場強(qiáng)度。

本仿真為三維電磁數(shù)值仿真，選用穩(wěn)定性較好的自由四面體為基本網(wǎng)格單元對(duì)仿真體進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)計(jì)，圖2 為基本網(wǎng)格單元示意圖。

二、建模說明

圖2 四面體網(wǎng)格單元

圖3 葉片雷擊附著點(diǎn)仿真模型設(shè)計(jì)

如圖3所示 ，葉片雷擊附著點(diǎn)仿真需要建立葉片的雷電感應(yīng)仿真模型。將葉片放置在平板電極模擬的雷電環(huán)境中，平板電極的中心位置位于葉片模型中心位置的垂直上方，葉片與接地平板存在θ夾角。IEC61400-24：2019中規(guī)定雷電測試時(shí)θ的取值為10°、30°和90°，仿真計(jì)算考慮葉片實(shí)際旋轉(zhuǎn)時(shí)葉尖豎直朝上的極限情況和葉片與水平面夾角最小的雷電接閃嚴(yán)苛條件，主要評(píng)估θ為5°和90°的情況。仿真時(shí)，葉片放置方式有迎風(fēng)面對(duì)地、背風(fēng)面對(duì)地、前緣對(duì)地和后緣對(duì)地四種情況。

三、仿真結(jié)果

為考察葉片表面電場強(qiáng)度的差異，將場強(qiáng)較高區(qū)域以紅色表示，圖4 、圖5 為極端情況下的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。由圖可以看出，B葉片葉根至葉尖第二接閃器范圍內(nèi)的葉片表面電場強(qiáng)度與A葉片葉根至葉尖第一接閃器范圍內(nèi)的葉片表面電場強(qiáng)度相同，具有相同的雷電初始附著風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 θ=5°時(shí)的葉片部分姿態(tài)電場分布

圖5 θ=90°時(shí)的葉片整體電場分布

圖6 葉尖前12.5m處的電勢分布

為了更深一步評(píng)估兩款葉片防雷系統(tǒng)的差異，選取12.5m的尖部（A葉片葉身第一接閃器位置至葉尖的長度）進(jìn)行電場強(qiáng)度對(duì)比，處理結(jié)果見圖6 。由圖可知，對(duì)于兩款葉片尖部12.5m區(qū)域，B葉片表面局部電勢比A葉片更低。根據(jù)實(shí)際仿真計(jì)算數(shù)據(jù)，θ=90°時(shí)B葉片表面電勢比A葉片低40%。因此，B葉片表面遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)更低，接閃器布局更優(yōu)。

由以上整體分析結(jié)果可知，葉片表面高電場區(qū)域主要在鋁葉尖和葉身接閃器附近。本研究接著對(duì)鋁葉尖和葉身接閃器及鄰近小范圍區(qū)域電場分布規(guī)律進(jìn)行對(duì)比，兩款葉片葉身接閃器相同，鋁葉尖尺寸存在較大差異（B葉片為A葉片高度的1.9倍，寬度的0.7倍），仿真處理結(jié)果見圖7 。由圖可知，兩款葉片電場分布規(guī)律類似—接閃器和鋁葉尖邊緣均為葉片表面電場強(qiáng)度最高的區(qū)域，即接閃器易于接閃雷電，防雷系統(tǒng)防護(hù)效果相同。

雷電試驗(yàn)驗(yàn)證

除了雷電仿真分析之外，本研究依據(jù)IEC61400-24：2019規(guī)定的葉片雷電試驗(yàn)方法對(duì)B葉片進(jìn)行雷擊初始附著點(diǎn)試驗(yàn)，使用高清相機(jī)捕捉電弧擊穿位置，表2為試驗(yàn)結(jié)果匯總。

圖7 接閃器電場強(qiáng)度分布

表2 B葉片雷電試驗(yàn)結(jié)果

圖8 30o迎風(fēng)面對(duì)地負(fù)極性試驗(yàn)

圖9 30o后緣對(duì)地負(fù)極性試驗(yàn)

圖10 30°背風(fēng)面對(duì)地負(fù)極性試驗(yàn)

圖11 30o 前緣對(duì)地負(fù)極性試驗(yàn)

按照IEC61400-24：2019的試驗(yàn)方法，本研究的測試總計(jì)進(jìn)行了54次，其中葉片在與地面夾角為10°和30°時(shí)，進(jìn)行四種姿態(tài)（每種姿態(tài)正、負(fù)極性各3次）的測試；葉片在與地面夾角為90°時(shí)只進(jìn)行一種姿態(tài)（正、負(fù)極性各3次）的測試。根據(jù)試驗(yàn)測試結(jié)果，各種角度和姿態(tài)下，B葉片防雷系統(tǒng)均為葉片表面提供有效的雷電保護(hù)，其接閃器成為雷電初始先導(dǎo)附著點(diǎn)，尤其是葉片尖部雷電附著占比達(dá)80%以上（測試54次，接閃42次）。圖8－圖11 為30°時(shí)的部分接閃瞬間，尖部接閃器和鋁葉尖在迎風(fēng)面對(duì)地、背風(fēng)面對(duì)地、前緣對(duì)地、后緣對(duì)地四種情況下均成功接閃雷電，葉片玻璃鋼殼體表面無擊穿孔。

同時(shí)，這一試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果相一致。根據(jù)IEC61400-24：2019雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，葉片的尖部一定長度是雷擊主要附著區(qū)域，因此，雷電試驗(yàn)一般選取長度為葉片長度15%左右的尖部。但實(shí)際雷電防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮使用環(huán)境，例如，安裝在高原區(qū)域的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，由于海拔高，葉片往往伸入雷云之中，根部和葉身面臨云間放電的雷電威脅，此時(shí)可以采用仿真計(jì)算分析，進(jìn)行全尺寸的附著點(diǎn)評(píng)估。

結(jié)論

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最易遭受雷擊的部件，其雷電防護(hù)系統(tǒng)的可靠性關(guān)系到整個(gè)機(jī)組的安全運(yùn)行。隨著IEC61400-24：2019標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，葉片防雷系統(tǒng)的可靠性和有效性驗(yàn)證方法將更加完善。本文依據(jù)該雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)“防雷相似性對(duì)比―差異性分析―仿真差異性評(píng)估”這一葉片防雷系統(tǒng)驗(yàn)證方式進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，該方法便捷、可靠，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

攝影：胡明生