风电测风仪雷电防护仿真模拟与试验研究

卢 文,成 勇,阮庆洲,刘 琳,姜云波

(上海电气风电集团,上海 201306)

0 引言

近年来中国风电产业发展迅猛。随着风力发电机容量的提高,风力发电机轮毂高度和叶片直径也不断增加,同时也增加了雷击概率,而且海上风机所处高盐、空旷和多雷雨环境,使其更易受雷击。根据306起风电机组雷击故障事故统计,风轮叶片、制动系统、电气系统、发电机、传感器、测风仪等,雷击损坏故障率分别约为:25.2%、20.9%、14.1%、11.1%、4.2%、3.6%。虽然测风仪的雷击概率较小,但是测风仪所采集的风速和风向数据是风力发电机组控制系统非常重要的输入参数。因为风力发电机组控制系统会根据这些数据控制机组的切入、切出、偏航、变桨等行为。如果测风仪遭受雷击损坏后,偏航系统将无法准确跟踪风向变化,不能保证风力发电机组捕获最大风能,风机会出现实际功率大于测风仪测得风速下所对应的设计功率情况。风机缺少必要的风能气象信息虽不致停机,但一般只能运行在正常负荷的10%～20%,会造成发电量损失。一旦测风仪遭雷击后,会影响机组控制的准确性,对机组的安全性、发电量也会产生不利影响。不但要承担测风仪维修更换的经济损失,而且还要承受部分发电量损失[2-3]。因此,针对风电机组测风仪防雷系统雷电特性的研究具有重要意义。

风力发电机组内部不同雷区的划分见图1,LPZ0A为受直接雷击和全部雷电电磁场威胁的区域,包含叶片、轮毂罩、机舱罩、塔架的外表面以及外部附加装置等。LPZ0B没有直接雷击,但该区域仍受到全部雷电电磁场的威胁。LPZ0A和LPZ0B之间的边界通过滚球法来确定,如图2所示,球体不能滚到的位置可受保护并不受直接雷击,为LPZ0B。使用接闪器安装在机舱盖的后面,如图1,就可在机舱顶部创建LPZ0B,从而使测风仪免受直接雷击[4-10]。接闪环和金属支架构成一个防雷系统。接闪器是直接承受雷击的部分,实际上就是“引雷器”,利用高出被保护的突出部位,将雷电放电通道引其自身,然后通过金属支架和接地装置将雷电流泄入大地[11-14]。

图1 风力发电机组内部不同雷区的划分

图2 滚球模型

如果测风仪接闪器接闪效果不佳,那么测风仪将承受直击雷的风险[15-18]。为了验证测风仪接闪器的接闪有效性,笔者首先对测风仪支架进行电磁热理论分析,然后开展雷电直接效应仿真计算和雷电流损伤仿真计算[19-22],随后进行高电压初始先导试验以及雷电流引弧试验。将试验与仿真结果相对比,进一步验证仿真模拟的有效性和仿真结果的正确性。下一步,对接闪结构进行改进,并通过仿真计算进行验证。

1 雷电电磁热效应理论分析

雷电是危害性极强的自然放电现象,高电压和大电流是它的两个主要特征。当雷电流通过接闪器结构时,由于导电体内的电阻的存在,会使雷电能转换为热能,产生焦耳热效应。这便是雷电流的电磁热效应,电磁场数学模型遵循麦克斯韦方程组。联合固体传热方程,建立电磁热耦合数学模型。

法拉第电磁感应定律

(1)

式中,E为测风仪支架的电场强度,B为磁通密度。法拉第电磁感应定律说明穿过曲面的磁通量的变换率等于感生电场的环量。说明了变化的磁场可以产生电场。在静电场中,磁场恒为0,那么沿闭合曲线的电场的环流量也为0。

安培-麦克斯韦定律

(2)

式中,H为测风仪支架的磁感应强度,J是雷电流向接闪器结构泄散的电流密度;S是接闪器结构的单位体积的表面积;D为电位移矢量。安培-麦克斯韦定律说明穿过曲面的电通量变化率和曲面包含的电流等于感生磁场的环量。

联合固体传热方程建立电磁传热方程

(3)

Qe=J·E

(4)

J=σ·E

(5)

其中,ρ、CP、σ分别为测风仪支架的密度、常压热容和电导率,u为速度场,T为温度,Qe电磁热源,k为导热系数,J为电流密度,E为电场强度。

可以看出,雷电冲击电流在接闪器及支架上释放的热量与接闪器电流密度及材料特性有关,大量的雷电流在接闪器中运动在其中产生巨大的热量。

由于海上风机长期处于盐雾环境中,因此在研究海上测风仪支架接闪器接闪效率时,需考虑海洋大气条件下盐雾介质空气模型的介电特性。

D=εE

(6)

式中,ε为介电常数。利用混合介质介电常数计算方法和海水小液滴介电常数计算方法,计算得盐雾的介电常数ε为1.076,因此计算域的介电常数设置为1.076[23]。

本节完成了雷电电磁热理论分析以及盐雾介质空气模型建立,可以利用该分析结果和模型进行下一步的三维电场和磁场计算。

2 高电压仿真计算和试验分析

2.1 高电压附着点仿真

高电压仿真基于稳恒电流场方程。即式(1)的等号右边部分为0,即场量不随时间变化。高电压仿真模拟带有防护方案的测风仪在雷电环境下的感应电场分布,通过场值大小分析雷电的初始附着点是否在防护接闪器上。雷电环境下的空气湿度

测风仪支架的高电压附着点仿真的第一步是进行仿真模型的建立,其仿真模型见图3。高电压附着点仿真对按照以下四种姿态进行仿真,分别为:电极在接闪环3上方、电极在接闪环3斜上方、电极在接闪环1上方和电极在接闪环1斜上方。电极的位置距离接闪环最高点1.5 m。电极施加-1 MV高电压,测风仪支架接地。测风仪支架电场强度计算结果见表1。

表1 测风仪支架电场分布

图3 测风仪支架高电压仿真布置和试验布置

2.2 初始先导附着试验

初始先导附着试验模拟雷电通道形成前的状态,对象表面可能产生雷电先导的区域,用于判断雷电初始附着点。

为了保证仿真模型和试验模型的一致性。将仿真模型作为试验件模型[24-30],并且保证试验件模型测风仪的旋转姿态和仿真模型保持一致。图3中左图为仿真模型,右图为试验件模型。

测风仪支架初始先导附着试验也是按照表1的4种姿态施加高电压,每种姿态正负极性各做3次试验。试验布置具体步骤如下:

1)使用绝缘支柱将试验件固定好。

2)使用铝板作为接地平板,铝板尺寸为4 m×6 m。

3)将试验电极吊起,调整试验电极的位置,使得其最低点与试验件最高点的垂直距离>1.5 m。

4)冲击电压发生器的输出端连接至试验电极,试验件接地端连接接地平板。

从表2初始先导试验结果可以看出,在电极在接闪环斜上方的姿态,施加正极性电压波形时,有两次在测风仪上接闪,见图4。从表1测风仪支架电场分布,可以得出以下结论。在这四种姿态中,接闪环的电场强度均小于测风仪的电场强度,尤其在电极位于接闪环3斜上方以及电极位于接闪环1斜上方的情况,电场强度比正上方的情况大,即2.63 kV/mm 大于2.58 kV/mm;2.67 kV/mm大于2.27 kV/mm。因此在电极位于接闪环斜上方的情况,测风仪更容易接闪,这与试验结果相符。针对实际情况,当雷电流从机舱尾部传导时,测风仪存在一定雷击风险。

表2 初始先导试验结果

图4 测风仪支架初始先导试验

3 雷电流损伤仿真和电弧引入试验

3.1 雷电流损伤仿真

大电流仿真基于时变电流源方程,见式(1)和式(2)。雷电流加载在防雷接闪器结构上,考察防雷设备的电流分布、热损伤,评估结构的雷电流通流能力。雷电流损伤的仿真模型见图5。

图5 雷电流损伤的仿真模型及电弧引入试验布置

雷电流损伤仿真以首个正极性电流脉冲为电流源,表达式见式(7)[15-16],雷电流波形见图6。

图6 雷电流波形

(7)

式中:I0=200 000 A,k=0.93,T1=19 μs,T2=485 μs。

测风仪支架雷电损伤仿仿真电流密度分布云图见图7示,温度分布云图见图8示。

图7 测风仪支架电流密度分布云图

图8 测风仪支架温度分布云图

3.2 电弧引入试验

电弧引入试验模拟雷电通道形成后的状态。测风仪施加短冲击电流分量,试验波形参数如表3所示。电弧引入试验布置如图5所示。

表3 电弧注入试验波形参数

试验布置具体步骤如下:

1)使用绝缘支柱将绝缘板撑起,距离地面大于1 m。

2)使用G型夹、大力夹将试验件固定于绝缘台上。

3)将冲击电流测试系统的输出端连接至放电电极。

4)放电电极位于试验件的上方,距离为50 mm。

5)在放电电极和放电位置间放置一根直径0.1 mm 的细铜丝作为放电引线。

6)试验件的两个接地端连接冲击电流发生器的回线端。

测风仪支架电弧引入试验后图片见图9。

图9 测风仪支架电弧引入试验后照片

从图8测风仪支架温度分布云图可以看出,在雷击点处温度大于316 L不锈钢材料熔蚀温度1 100 ℃,有轻微熔蚀。其余部分温度均在40 ℃以下。从图9试验结果表明,测风仪支架短冲击放电后雷击处接闪环有烧蚀,整体结构无明显损伤。仿真和试验结果一致。

4 测风仪接闪器方案优化

如前文所述,测风仪以接闪环的结构作为接闪器,从仿真和试验结果可得,接闪环的接闪效果不理想,即测风仪存在一定被雷击的风险。接闪棒的端部表面曲率半径比接闪环端部曲率半径小,电场更加集中[18],在雷电环境下,更容易接闪。因此将接闪环的结构改成接闪棒的结构,进行高压附着点仿真。接闪棒的排序和接闪环的排序一样,最左侧为接闪棒1,右侧接闪棒为接闪棒3。仿真的结果见图10。

图10 测风仪支架电场分布云图

根据表4测风仪支架的电场计算结果可知,可以看出接闪棒的电场强度为测风仪的电场强度大约两倍,即接闪棒更容易接闪,进而可以有效的保护周围的测风仪免受雷击损伤,因此该接闪棒的方案较接闪环的方案更加可靠。

表4 测风仪支架不同姿态电场分布统计

4 结论

本研究首先对测风仪支架进行电磁热理论分析,然后对风力发电机组测风仪支架开展雷电直接效应仿真计算和雷电流损伤仿真计算,以获取叶片的雷电电压附着点和雷击效果以及雷电流损伤效果,随后进行高电压初始先导试验以及雷电流引弧试验。将试验与仿真结果相对比,仿真模拟结果和试验结果一致。仿真和试验结果表明测风仪接闪环接闪效果不佳,下一步对测风仪接闪器结构进行改进,将接闪环的结构改成接闪棒的结构。通过本研究可以得到以下结论:

1)当接闪环作为接闪器应用在测风仪支架上,初始先导试验结果表明接闪环下的测风仪有一定的雷击概率。

2)当接闪环作为接闪器应用在测风仪支架上,高电压附着点仿真结果表明,4种姿态下接闪环的电场强度均小于测风仪的电场强度,接闪环的电场强度约为测风仪的电场强度0.6倍。测风仪存在雷击风险。

3)将接闪环改成接闪棒后,4种姿态下接闪环的电场强度比其下的测风仪大约2倍,雷击的概率较接闪环的形式大幅减小。

4)测风仪支架电弧引入短冲击放电后雷击处接闪环有烧蚀,整体结构无明显损伤。仿真结果为在雷击点处温度大于316 L不锈钢材料熔蚀温度1 100 ℃,有轻微熔蚀。仿真和试验结果一致。