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        海上風(fēng)機(jī)葉尖曲率對(duì)接閃器防雷性能影響研究

        2022-08-30 07:47:12馬愛清鄭銘揚(yáng)徐捷立
        電瓷避雷器 2022年4期
        關(guān)鍵詞:葉身葉尖曲率

        馬愛清, 鄭銘揚(yáng), 徐捷立

        (1.上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,上海 200090;2.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司市區(qū)供電分公司,重慶 400015)

        0 引言

        海上風(fēng)機(jī)往往經(jīng)受各種自然條件的損害,其中尤以雷擊危害最大。如果雷電直接擊中葉片,就可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)嚴(yán)重的破壞,包括葉片分層斷裂,表殼脫落,熱融化,甚至爆炸[1-2]。而且海上風(fēng)機(jī)所處高鹽、空曠和多雷雨環(huán)境[3-4],使其更易受雷擊,停運(yùn)及維修成本更高昂,給海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)帶來了極大的困擾[5-7]。此外,隨著單機(jī)容量的增加,其雷擊率也會(huì)隨風(fēng)機(jī)尺寸升高而增多,目前的防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)也需要做出相應(yīng)的改變。

        IEC 61400-24技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是目前風(fēng)電機(jī)組防雷設(shè)計(jì)的主要參考標(biāo)準(zhǔn)[5],在如何應(yīng)對(duì)雷擊這一方面,提出可以在葉片上裝設(shè)金屬導(dǎo)體,以實(shí)現(xiàn)將雷電電流引導(dǎo)至葉片根部;或在葉片表面涂抹導(dǎo)電材料,使葉片成為導(dǎo)體,以便將電流傳導(dǎo)至葉片根部。風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指出,將近90%的雷擊事故發(fā)生在葉尖5 m范圍內(nèi),10%發(fā)生在距葉尖5 ~ 10 m范圍內(nèi)[8]。IEC標(biāo)準(zhǔn)中只考慮小型風(fēng)機(jī)的情況,但是隨著單機(jī)容量的增大,風(fēng)機(jī)高度的增加,風(fēng)機(jī)遭受上行雷擊的概率顯著增大,現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)低估了雷擊風(fēng)機(jī)的實(shí)際情況。

        國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)接閃器防護(hù)效果,結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)葉片防雷效率進(jìn)行了一系列算法方面的研究。文獻(xiàn)[9]通過計(jì)算風(fēng)機(jī)各處接閃面積求得典型角度的葉片表面雷擊概率分布。文獻(xiàn)[10-11]得出在葉片的旋轉(zhuǎn)作用下,正極性的雷電對(duì)接閃點(diǎn)的位置有很大影響,建立了實(shí)際尺寸的葉片表面雷擊概率評(píng)估模型,葉尖接閃器的防護(hù)效果優(yōu)于葉身接閃器。文獻(xiàn)[12]通過改進(jìn)電氣幾何模型,在原有的電氣幾何方法上結(jié)合雷電先導(dǎo)發(fā)展物理過程,提出了一套通用的葉片防雷系統(tǒng)計(jì)算方法。

        國(guó)外學(xué)者通過測(cè)試風(fēng)機(jī)葉片接閃器的接閃特性,對(duì)不同類型接閃器在不同環(huán)境下的引雷性能開展了研究。文獻(xiàn)[13]使用3 m長(zhǎng)葉尖試品進(jìn)行長(zhǎng)間隙試驗(yàn),測(cè)試了在葉片上安裝接閃器的實(shí)際效果,發(fā)現(xiàn)裝有接閃器的葉片更容易遭受雷擊,且由于雷電電流極大,葉片也會(huì)受到損傷。文獻(xiàn)[14]對(duì)比了不同類型接閃器的攔截效率,得出葉尖接閃器的攔截效果最好,有效保護(hù)了葉尖部位,但同時(shí)風(fēng)電場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的雷擊事故中,葉尖接閃器因雷擊熔化的現(xiàn)象比較嚴(yán)重。文獻(xiàn)[15-16]將試驗(yàn)與電場(chǎng)仿真相對(duì)照,對(duì)比了不同形式的接閃器,而且針對(duì)葉尖接閃器和葉身接閃器的接閃性能的比較得出相反的結(jié)論。文獻(xiàn)[17]對(duì)比了有無污穢情況下葉片雷擊情況,指出葉片表面污穢改變了其電導(dǎo)率,使得葉片表面電場(chǎng)畸變。文獻(xiàn)[18]對(duì)比了葉片表面下方有無引下線時(shí)接閃器的接閃特性,發(fā)現(xiàn)引下線的位置顯著影響接閃過程中雷擊電弧在葉片表面的行為。以上試驗(yàn)中樣品長(zhǎng)度均在5 m以內(nèi),只能反映出選定葉片的雷擊情況,對(duì)接閃器布置的有效性的驗(yàn)證尚無成熟的理論方法可供指導(dǎo)。

        由以上研究可知,風(fēng)機(jī)葉片接閃器的接閃特性與葉片的材料、尺寸、旋轉(zhuǎn)姿態(tài)、接閃器的布置方式、數(shù)量、位置、雷電通道的先導(dǎo)方向、極性、雷擊距以及機(jī)組的運(yùn)行情況等諸多因素均有關(guān)系。葉片接閃性能及諸多因素產(chǎn)生的影響機(jī)理還需深入的研究。

        本研究以海上風(fēng)機(jī)葉片的接閃效率為研究對(duì)象,針對(duì)3 MW全尺寸海上風(fēng)機(jī),建立了接近于實(shí)際的三維模型。模型包含了雷電通道模型、全尺寸風(fēng)機(jī)三維模型和海上空氣域模型?;谠搶?shí)體模型,通過有限元分析方法,對(duì)下行先導(dǎo)抵達(dá)風(fēng)機(jī)雷擊距時(shí)葉片上感應(yīng)的最大靜電場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行了分析計(jì)算,以此來預(yù)測(cè)并確定雷擊點(diǎn)。并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)激進(jìn)型對(duì)比,驗(yàn)證了改進(jìn)后模型的精確性和有效性。最后基于該數(shù)值模型來分析葉尖接閃器和葉身接閃器的接閃效率,從而揭示了葉尖曲率對(duì)葉片接閃器的影響機(jī)理。

        1 全尺寸海上風(fēng)機(jī)三維仿真模型

        1.1 雷電通道模型

        雷擊風(fēng)機(jī)過程比較復(fù)雜,本研究主要考慮下行雷擊對(duì)風(fēng)機(jī)的影響。當(dāng)下行先導(dǎo)尖端和建筑物之間的電場(chǎng)強(qiáng)度足以擊穿空氣間隙時(shí),建筑物就會(huì)發(fā)出上行先導(dǎo),當(dāng)其中一個(gè)上行先導(dǎo)攔截到雷電下行先導(dǎo),則形成首次明亮的雷電反擊[19]。許多模擬研究中使用了Cooray提出的雷電梯級(jí)先導(dǎo)模型來預(yù)測(cè)雷擊產(chǎn)生的電場(chǎng)[20],在該模型中,假設(shè)雷電梯級(jí)先導(dǎo)是豎直的線電荷,其電荷密度非線性分布:

        0≤η≤L,z0≥10;

        (1)

        式中,λ(η) 是雷電通道的非線性線電荷密度(C/m);η是通道上任一點(diǎn)到先導(dǎo)尖端的直線距離(m);H是雷云最下層的高度(m),H=4 000 m;z0是先導(dǎo)尖端到海面的距離(m);Ipeak是反擊峰值電流(kA);a=4.857E-5,b=3.9097E-6,c=0.522,d=3.73E-3。式(1)中的電荷密度與 Cooray 記錄的測(cè)量結(jié)果有很好的一致性[20],故本研究采用該雷電梯級(jí)先導(dǎo)模型模擬雷擊。

        假設(shè)雷云中電荷區(qū)域的水平范圍遠(yuǎn)大于雷云到大海的豎直距離,則可以用一個(gè)給定電壓值的理想平板導(dǎo)體來代替雷云電荷區(qū)域。在雷云和海之間規(guī)定的背景電場(chǎng)為10 kV/m[21],雷云和地之間的距離為4 km[19-20]。故雷云電勢(shì)V=40 MV。海平面電勢(shì)為0的平板導(dǎo)體。

        1.2 全尺寸海上風(fēng)機(jī)模型

        本研究參考NREL基準(zhǔn)風(fēng)機(jī)特性參數(shù)[22],在兆瓦級(jí)大型風(fēng)機(jī)合理的特性參數(shù)范圍內(nèi),設(shè)計(jì)了海上風(fēng)機(jī)特性參數(shù),如表1所示。

        表1 海上風(fēng)機(jī)特性參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of offshore WT

        根據(jù)表1中數(shù)據(jù),可通過繪圖軟件建立風(fēng)機(jī)各組件的三維實(shí)體模型,其中輪轂、機(jī)艙、塔體等部分遠(yuǎn)離葉片接閃器,且模型簡(jiǎn)單,故只對(duì)葉片模型進(jìn)行詳細(xì)地說明。

        關(guān)于雷擊和風(fēng)機(jī)葉片相互作用的研究,目前多使用簡(jiǎn)化傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)幾何模型,例如,將風(fēng)機(jī)模型(包括塔體和葉片)簡(jiǎn)化為直線或者長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)[23]。然而文獻(xiàn)[24]指出當(dāng)用鍥型葉片模型時(shí),葉尖表面電場(chǎng)比用等截面長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)葉片時(shí)大18%左右。為了準(zhǔn)確地模擬葉片表面,本研究根據(jù)動(dòng)量-葉素理論建立了全尺寸風(fēng)機(jī)的葉片的氣動(dòng)外形[25]。比起文獻(xiàn)[24]中簡(jiǎn)化的葉片外型,真實(shí)的葉片模型能模擬出更準(zhǔn)確的雷擊感應(yīng)電場(chǎng)。

        本研究選用三葉片(葉片數(shù)B= 3)葉輪模型,葉片相對(duì)介電常數(shù)約為2 ~ 4。NRELS翼族具有良好的空氣動(dòng)力特性, NREL提供了該翼型的幾何坐標(biāo)參數(shù)。

        風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率:P=ρvr3πD2Cpη1η2/8,空氣密度ρ= 1.225 kg/m3。由此可得風(fēng)輪直徑D=139.72 m,最終確定風(fēng)輪半徑為R=70 m。故文中設(shè)定葉片長(zhǎng)度67.9 m,葉根距離輪轂軸線2.1 m。因此當(dāng)葉片豎直向上時(shí)最大葉尖高度為192.6 m。

        半徑r(m)處的葉尖速比λr=rR-1λR。為了在葉片的展向上給輪轂留出足夠的空間,一般都是從15%R的展向位置開始設(shè)計(jì)葉素。為了使過渡區(qū)域更加平滑,本研究設(shè)計(jì)沿葉片的展向選取34處截面以提高準(zhǔn)確性。

        對(duì)于上述各個(gè)翼型截面而言,各個(gè)葉素截面的翼面弦長(zhǎng)為

        (2)

        式中,N為形狀參數(shù)。根據(jù)各截面尖速比和式(2),可求得各截面弦長(zhǎng)。

        根據(jù)動(dòng)量-葉素理論提出的利用誘導(dǎo)因子迭代的氣動(dòng)優(yōu)化法[25],設(shè)計(jì)了計(jì)算入流角φ的迭代步驟如下:

        1)設(shè)誘導(dǎo)因子a和b的初值為0。

        3)葉素法向動(dòng)力系數(shù)Cn和切向動(dòng)力系Ct:

        Cn=Clcosφ+Cdsinφ
        Ct=Clcosφ-Cdsinφ

        (3)

        4)計(jì)算a和b的新值:

        (4)

        5)比較a和b與前一次的值,當(dāng)誤差小于設(shè)定值(一般取0.001以下),則迭代終止,可得各葉素安裝角θ=φ-α。;否則,再回到b)繼續(xù)迭代。

        由以上分析,可分別求得34個(gè)葉片截面上各個(gè)葉素的翼面弦長(zhǎng)和安裝角。沿著葉片展長(zhǎng)方向,在風(fēng)輪半徑的15%處到100%處的區(qū)段上,根據(jù)34個(gè)翼型面的葉片外形參數(shù),對(duì)風(fēng)輪進(jìn)行幾何建模,葉片輪廓如圖1所示。

        圖1 風(fēng)輪葉片外形設(shè)計(jì)Fig.1 Design of blade profile

        為了研究葉片接閃器的攔截效率,在上述葉片的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了葉尖和葉身兩種接閃方式下的葉尖幾何形態(tài),兩種接閃器分別安裝在葉尖曲率半徑Rb為:0.1,0.25,0.5,0.75,1,1.25,1.5,1.75,2,2.25,2.5 m等11種葉片上。接閃器模型皆以實(shí)際情況為準(zhǔn)[26],其中Rb= 0.1、1、2、2.5的葉尖情況,如圖2所示。葉尖接閃器1~4長(zhǎng)度為0.48 m,葉身接閃器1~4距葉尖1.92 m,半徑0.3 m。

        以上建立了風(fēng)機(jī)的葉輪模型、輪轂?zāi)P?、機(jī)艙模型和塔筒模型,再依次將它們裝配,得到單臺(tái)海上風(fēng)機(jī)的完整裝配體。

        1.3 鹽霧環(huán)境空間介質(zhì)模型

        海上風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期處于鹽霧環(huán)境中,本研究為貼近于實(shí)際運(yùn)行環(huán)境,在研究海上風(fēng)機(jī)的葉片接閃器接閃效率時(shí),考慮海洋大氣條件下鹽霧介質(zhì)空氣模型的介電特性。

        由文獻(xiàn)[26-28]可知,將鹽霧分解為干燥空氣、飽和水蒸氣和海水小液滴三者來等效,利用混合介質(zhì)介電常數(shù)計(jì)算方法和海水小液滴介電常數(shù)計(jì)算方法,可求得不同能見度下鹽霧的相對(duì)介電常數(shù)。由于雷雨天氣時(shí)鹽霧的影響更大,故考慮能見度為10 m時(shí),計(jì)算得鹽霧的介電常數(shù)εyw= 1.076,且認(rèn)為鹽霧均勻彌漫在計(jì)算域內(nèi)。

        本節(jié)完成了海上風(fēng)機(jī)全尺寸外殼模型的建立,可以利用該模型進(jìn)行下一步的三維電場(chǎng)計(jì)算。

        2 海上風(fēng)機(jī)葉片接閃效率仿真分析

        基于有限元法對(duì)第1節(jié)模型進(jìn)行風(fēng)機(jī)葉片表面的三維靜電場(chǎng)分析。本節(jié)分析中設(shè)定風(fēng)機(jī)模型其中一個(gè)葉片保持豎直向上的姿態(tài),不考慮葉片旋轉(zhuǎn)、雷電先導(dǎo)和風(fēng)機(jī)表面的上行先導(dǎo)發(fā)展過程動(dòng)態(tài)特性。此外,忽略雷雨天氣葉片絕緣表面附著的導(dǎo)電雨滴導(dǎo)致的電場(chǎng)畸變現(xiàn)象。

        對(duì)于選定的葉片,表面場(chǎng)強(qiáng)越大,雷擊的可能性越高。本節(jié)通過計(jì)算當(dāng)雷電先導(dǎo)恰好到達(dá)其雷擊距時(shí)葉片表面靜電場(chǎng)強(qiáng)度來評(píng)估海上風(fēng)機(jī)葉片接閃器的接閃效率,其中場(chǎng)強(qiáng)最大的位置為預(yù)測(cè)雷擊點(diǎn)。

        雷擊距不僅決定了計(jì)算域中雷電先導(dǎo)和風(fēng)機(jī)幾何模型之間的相對(duì)空間位置,而且決定了與接閃器、輪轂、機(jī)艙和塔體表面相關(guān)的零電位邊界條件的定位。IEC 61400-24指出滾球法適用于葉片長(zhǎng)度超過20 m的風(fēng)機(jī)[5],滾球正切于豎直向上的葉片的尖端,故利用文獻(xiàn)[16]給出的公式來計(jì)算雷電先導(dǎo)和風(fēng)機(jī)間的雷擊距:

        (5)

        式中,Rl是雷擊距(m),Ipeak是峰值電流(kA)。本研究選擇峰值電流Ipeak為100 kA的雷電流來模擬雷擊。

        2.1 控制方程

        由垂直的帶電雷電先導(dǎo)導(dǎo)致的電場(chǎng)可由靜電方程求解:

        ?×E=0
        ?·E=ρv/ε0
        E=-?φ

        (6)

        式中,E表示矢量電場(chǎng)強(qiáng)度(V/m);ρv雷電通道的電荷源(C/m3),ρv=λ/πr2;λ是線電荷密度;r是豎直雷電下行先導(dǎo)通道半徑,r=1.5 m;ε0是真空相對(duì)介電常數(shù);φ是電位??衫梅€(wěn)態(tài)研究中的靜電接口求解式(6)。

        2.2 邊界條件

        由于海上風(fēng)機(jī)坐落于平坦空曠的海平面上,風(fēng)機(jī)位于底部邊界的中心位置,雷電先導(dǎo)從計(jì)算域上邊界中心發(fā)展至恰好引發(fā)海上風(fēng)機(jī)產(chǎn)生上行先導(dǎo)的位置。計(jì)算域設(shè)為4 km×4 km×4 km的空間和風(fēng)機(jī)模型的外表面之間的區(qū)域,計(jì)算域網(wǎng)格劃分為自由四面體[16]。減小網(wǎng)格尺寸會(huì)得到更精確的解,但對(duì)計(jì)算機(jī)的配置要求更高,計(jì)算時(shí)間也會(huì)更長(zhǎng)。為了平衡計(jì)算精度和速度,風(fēng)機(jī)附近的網(wǎng)格類型為極細(xì),而遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的網(wǎng)格類型為較粗,最小和最大單元尺寸分別為0.4 m和160 m。最大元素增長(zhǎng)率為1.3,曲率因子和狹窄處的分辨率分別為0.5和0.9,如圖3 所示。

        圖3 仿真設(shè)置及表面網(wǎng)格劃分Fig.3 Settings and surface grid division of offshore WT

        此時(shí)雷電先導(dǎo)頭部和風(fēng)機(jī)外形間的雷擊距通過式(5)計(jì)算可得。整個(gè)計(jì)算域的4個(gè)豎直面設(shè)為開放邊界條件。此外,風(fēng)機(jī)幾何模型的輪轂、機(jī)艙和塔體等部件的材料屬性為導(dǎo)電良好的鋼鋁合金[29],故表面設(shè)置為零電位。為了說明接閃器的作用,接閃器表面電位設(shè)為地電位。而風(fēng)機(jī)葉片除接閃器以外的絕緣部分的表面設(shè)為開放邊界條件。計(jì)算域和雷電梯級(jí)先導(dǎo)的空氣材料設(shè)為考慮鹽霧的介質(zhì)空間。計(jì)算域的上底面設(shè)置雷云電勢(shì),下底面接地。

        2.3 仿真結(jié)果分析

        根據(jù)以上設(shè)置的控制方程、邊界條件及網(wǎng)格劃分,對(duì)雷擊海上風(fēng)機(jī)三維模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),給出風(fēng)機(jī)葉片表面的感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)以評(píng)估接閃器性能。由于豎直向上的葉片上接閃器表面感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)葉片上的接閃器,前者表面產(chǎn)生的上行先導(dǎo)攔截雷電先導(dǎo)的可能性遠(yuǎn)大于后者,所本節(jié)只討論了前者的情況。

        根據(jù)上述過程,對(duì)比了11種不同葉尖曲率時(shí),分別在葉尖和葉身處安裝接閃器,兩種接閃安裝方式下對(duì)葉片表面感應(yīng)電場(chǎng)分布情況的影響,此處取圖2 中的4種典型葉片進(jìn)行模擬分析,平均網(wǎng)格單元數(shù)為4 270 326個(gè),網(wǎng)格劃分時(shí)長(zhǎng)402.69 s,求解時(shí)長(zhǎng)為393.86 s。仿真結(jié)果如圖4 所示。

        由圖4可知,對(duì)于葉尖接閃器,預(yù)測(cè)雷擊點(diǎn)在接閃器與絕緣葉片表面相接處;對(duì)于葉身接閃器,預(yù)測(cè)雷擊點(diǎn)在金屬圓盤與絕緣葉片表面相接處。將仿真結(jié)果與圖5中Arinaga所做的葉尖接閃器(左)和葉身接閃器(右)的接閃實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證[14],與圖4中預(yù)測(cè)的雷擊點(diǎn)一致,以此證明了本研究計(jì)算結(jié)果的有效性。

        圖5 葉片接閃器高壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 HV test results of receptors

        通過上述計(jì)算過程,得到了11種不同葉尖曲率在兩種葉片接閃方式下預(yù)測(cè)雷擊點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng),如圖6 所示。

        圖6 預(yù)測(cè)雷擊點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度曲線Fig. 6 Predicted electric field strength curve of lightning strike point

        由圖6中曲線可見,隨著葉尖處曲率半徑由0.1 m增大到2.5 m,葉尖接閃器雷擊點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)先降后升,而葉身接閃器則先升后降。且對(duì)于該葉片,當(dāng)葉尖處Rb小于1 m時(shí),葉尖接閃器的場(chǎng)強(qiáng)下降速度明顯比葉身接閃器上升速度快,而Rb大于1 m時(shí),葉尖接閃器的場(chǎng)強(qiáng)下降速度稍微比葉身接閃器上升速度慢。這是由于在接閃器建模過程中,當(dāng)Rb小于1 m時(shí),葉尖曲率的變化對(duì)葉尖接閃器結(jié)構(gòu)的影響比對(duì)葉身接閃器的影響更大,而Rb大于1 m時(shí),葉尖曲率對(duì)兩者的影響接近。

        另外,當(dāng)Rb∈[0.5,2.25] 時(shí),葉身接閃器的接閃效率較高,反之,則葉尖接閃器的接閃效率更好。由此可見,在比較不同類型接閃器性能時(shí),必須考慮葉尖處葉片的結(jié)構(gòu)因素。葉尖結(jié)構(gòu)不同就可能導(dǎo)致的評(píng)估結(jié)果。

        3 結(jié)論

        1)建立了考慮鹽霧影響的3 MW海上風(fēng)機(jī)全尺寸計(jì)算模型,該模型求解雷電通道到達(dá)海上風(fēng)機(jī)雷擊距時(shí)的葉片表面感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度是準(zhǔn)確有效的。

        2)接閃器表面附近的電荷量與葉尖曲率密切相關(guān),隨著葉尖曲率變化,葉尖接閃器和葉身接閃器附近的場(chǎng)強(qiáng)呈現(xiàn)出規(guī)律性變化。且電場(chǎng)變化速度也與葉尖曲率半徑變化范圍有關(guān)。

        3)評(píng)估不同布置方式的接閃器的接閃性能優(yōu)越性時(shí),需要考慮葉尖處的曲率半徑(即葉尖的結(jié)構(gòu))。

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