风机叶片接闪器布局可靠性仿真分析与试验验证

康 楠，薛浩鹏，杜鸣心，韩 敏

(1.东方电气(天津)风电叶片工程有限公司 天津300450；2.西安爱邦电磁技术有限责任公司 陕西西安710065)

0 引 言

随着风力发电行业的快速发展，特别是南方雷电活跃地区装机量的增加，叶片遭受雷击的事故也越来越多，风电机组叶片的防雷问题愈发受到行业上下游的重视。叶片防雷系统的可靠性对于风机稳定运行至关重要[1]。通过计算机仿真对接闪器布局的合理性进行验证，逐步得到推广应用[2]。

1 某型号叶片雷击附着点仿真

1.1 仿真设置

雷电问题属于多物理场问题，当风机遭到雷击时，雷电流流过风机，常常伴随着电磁、热、力效应。本仿真计算的电磁场方程主要为安培定律和电流守恒定律。仿真工具主要应用 COMSOL Multiphysics软件，可满足整机及系统级雷电电流瞬态或频域问题的求解，以及复杂电磁环境问题的求解。

涉及到温度的考量需要加载固体传热方程进行耦合，基本方程如下：

因为本项目仿真的热源来自电磁，所以需要如下方程进行耦合：

本仿真以首个正极性电流脉冲为电流源，表达式为：

其中：I0＝20000A，k＝0.93，T1= 19µs ，T2=485µs波形图如图1所示。

图1 雷电流波形Fig.1 lightning current waveform

本仿真为三维电磁数值仿真，选用稳定性较好的自由四面体为基本网格单元对仿真体进行网格设计，图2为基本网格单元示意图。

图2 基本网格单元Fig.2 Basic unit grid

风机叶片的网格设计如图3所示。

图3 风机叶片的网格设计Fig.3 Design of wind turbine blade grid

1.2 仿真结果

通过仿真设置计算出叶片上的电势分布如图 4所示。

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：

式中：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。

图4 叶片上雷电感应电势分布Fig.4 Lightning induced potential distribution on blade

结合仿真与试验结果，得出 K＝0.796为临界雷电路径系数。当 K＞0.796时，雷电击中接闪器；当K＜0.796时，雷电击中叶片[3]。

某型号叶片叶尖接闪器和第1个叶身接闪器、第1个叶身接闪器和第2个叶身接闪器、第2个叶身接闪器和第 3个叶身接闪器之间的距离分别为 2.7、7.5、14m。根据电势及其位置关系计算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1个叶身接闪器和第2个叶身接闪器、第2个叶身接闪器和第 3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。表明设计间距在合理范围之内。

2 某型号叶片雷击附着点试验

对该型号叶片进行雷击附着点试验。图 5为以30°为例的试验结果，所有试验的结果见表 1。可以看出叶片雷击附看点主要在叶尖接闪器上。

图5 30°时4种叶片姿态下试验结果Fig.5 Test result of 4 kinds of blades at 30°

表1 不同角度和叶片姿态下雷击附着点试验结果Tab.1 Test result of lightning strike attachment point with different angle and posture of blade

2.2 试验结果

进行多种角度和叶片姿态的试验布置说明：

①使用吊装的方式将叶片吊起。

②放电距离，叶片最低点与接地平板的距离为2.0m。

③冲击电压发生器的输出端连接至叶片防雷系统引下线。

④使用铝板作为接地平板，该铝板尺寸为 4m×6m。

⑤拍照，选取 3个最佳拍照位置布置相机，以保证清晰捕捉电弧放电位置。

3 结论和建议

①通过仿真可知雷击附着点主要分布在叶尖接闪器、叶身接闪器上，且越靠近叶尖越易遭受雷击。

②通过试验可知，该款叶片接闪器系统设计合理，雷击附着点主要在叶尖接闪器上。

③仿真结果与试验结果吻合度较高，仿真方法可以作为风机叶片雷击附着点评估的有效手段之一。