風電測風儀雷電防護仿真模擬與試驗研究

盧 文,成 勇,阮慶洲,劉 琳,姜云波

(上海電氣風電集團,上海 201306)

0 引言

近年來中國風電產業發展迅猛。隨著風力發電機容量的提高,風力發電機輪轂高度和葉片直徑也不斷增加,同時也增加了雷擊概率,而且海上風機所處高鹽、空曠和多雷雨環境,使其更易受雷擊。根據306起風電機組雷擊故障事故統計,風輪葉片、制動系統、電氣系統、發電機、傳感器、測風儀等,雷擊損壞故障率分別約為:25.2%、20.9%、14.1%、11.1%、4.2%、3.6%。雖然測風儀的雷擊概率較小,但是測風儀所采集的風速和風向數據是風力發電機組控制系統非常重要的輸入參數。因為風力發電機組控制系統會根據這些數據控制機組的切入、切出、偏航、變槳等行為。如果測風儀遭受雷擊損壞后,偏航系統將無法準確跟蹤風向變化,不能保證風力發電機組捕獲最大風能,風機會出現實際功率大于測風儀測得風速下所對應的設計功率情況。風機缺少必要的風能氣象信息雖不致停機,但一般只能運行在正常負荷的10%～20%,會造成發電量損失。一旦測風儀遭雷擊后,會影響機組控制的準確性,對機組的安全性、發電量也會產生不利影響。不但要承擔測風儀維修更換的經濟損失,而且還要承受部分發電量損失[2-3]。因此,針對風電機組測風儀防雷系統雷電特性的研究具有重要意義。

風力發電機組內部不同雷區的劃分見圖1,LPZ0A為受直接雷擊和全部雷電電磁場威脅的區域,包含葉片、輪轂罩、機艙罩、塔架的外表面以及外部附加裝置等。LPZ0B沒有直接雷擊,但該區域仍受到全部雷電電磁場的威脅。LPZ0A和LPZ0B之間的邊界通過滾球法來確定,如圖2所示,球體不能滾到的位置可受保護并不受直接雷擊,為LPZ0B。使用接閃器安裝在機艙蓋的后面,如圖1,就可在機艙頂部創建LPZ0B,從而使測風儀免受直接雷擊[4-10]。接閃環和金屬支架構成一個防雷系統。接閃器是直接承受雷擊的部分,實際上就是“引雷器”,利用高出被保護的突出部位,將雷電放電通道引其自身,然后通過金屬支架和接地裝置將雷電流泄入大地[11-14]。

圖1 風力發電機組內部不同雷區的劃分

圖2 滾球模型

如果測風儀接閃器接閃效果不佳,那么測風儀將承受直擊雷的風險[15-18]。為了驗證測風儀接閃器的接閃有效性,筆者首先對測風儀支架進行電磁熱理論分析,然后開展雷電直接效應仿真計算和雷電流損傷仿真計算[19-22],隨后進行高電壓初始先導試驗以及雷電流引弧試驗。將試驗與仿真結果相對比,進一步驗證仿真模擬的有效性和仿真結果的正確性。下一步,對接閃結構進行改進,并通過仿真計算進行驗證。

1 雷電電磁熱效應理論分析

雷電是危害性極強的自然放電現象,高電壓和大電流是它的兩個主要特征。當雷電流通過接閃器結構時,由于導電體內的電阻的存在,會使雷電能轉換為熱能,產生焦耳熱效應。這便是雷電流的電磁熱效應,電磁場數學模型遵循麥克斯韋方程組。聯合固體傳熱方程,建立電磁熱耦合數學模型。

法拉第電磁感應定律

(1)

式中,E為測風儀支架的電場強度,B為磁通密度。法拉第電磁感應定律說明穿過曲面的磁通量的變換率等于感生電場的環量。說明了變化的磁場可以產生電場。在靜電場中,磁場恒為0,那么沿閉合曲線的電場的環流量也為0。

安培-麥克斯韋定律

(2)

式中,H為測風儀支架的磁感應強度,J是雷電流向接閃器結構泄散的電流密度;S是接閃器結構的單位體積的表面積;D為電位移矢量。安培-麥克斯韋定律說明穿過曲面的電通量變化率和曲面包含的電流等于感生磁場的環量。

聯合固體傳熱方程建立電磁傳熱方程

(3)

Qe=J·E

(4)

J=σ·E

(5)

其中,ρ、CP、σ分別為測風儀支架的密度、常壓熱容和電導率,u為速度場,T為溫度,Qe電磁熱源,k為導熱系數,J為電流密度,E為電場強度。

可以看出,雷電沖擊電流在接閃器及支架上釋放的熱量與接閃器電流密度及材料特性有關,大量的雷電流在接閃器中運動在其中產生巨大的熱量。

由于海上風機長期處于鹽霧環境中,因此在研究海上測風儀支架接閃器接閃效率時,需考慮海洋大氣條件下鹽霧介質空氣模型的介電特性。

D=εE

(6)

式中,ε為介電常數。利用混合介質介電常數計算方法和海水小液滴介電常數計算方法,計算得鹽霧的介電常數ε為1.076,因此計算域的介電常數設置為1.076[23]。

本節完成了雷電電磁熱理論分析以及鹽霧介質空氣模型建立,可以利用該分析結果和模型進行下一步的三維電場和磁場計算。

2 高電壓仿真計算和試驗分析

2.1 高電壓附著點仿真

高電壓仿真基于穩恒電流場方程。即式(1)的等號右邊部分為0,即場量不隨時間變化。高電壓仿真模擬帶有防護方案的測風儀在雷電環境下的感應電場分布,通過場值大小分析雷電的初始附著點是否在防護接閃器上。雷電環境下的空氣濕度

測風儀支架的高電壓附著點仿真的第一步是進行仿真模型的建立,其仿真模型見圖3。高電壓附著點仿真對按照以下四種姿態進行仿真,分別為:電極在接閃環3上方、電極在接閃環3斜上方、電極在接閃環1上方和電極在接閃環1斜上方。電極的位置距離接閃環最高點1.5 m。電極施加-1 MV高電壓,測風儀支架接地。測風儀支架電場強度計算結果見表1。

表1 測風儀支架電場分布

圖3 測風儀支架高電壓仿真布置和試驗布置

2.2 初始先導附著試驗

初始先導附著試驗模擬雷電通道形成前的狀態,對象表面可能產生雷電先導的區域,用于判斷雷電初始附著點。

為了保證仿真模型和試驗模型的一致性。將仿真模型作為試驗件模型[24-30],并且保證試驗件模型測風儀的旋轉姿態和仿真模型保持一致。圖3中左圖為仿真模型,右圖為試驗件模型。

測風儀支架初始先導附著試驗也是按照表1的4種姿態施加高電壓,每種姿態正負極性各做3次試驗。試驗布置具體步驟如下:

1)使用絕緣支柱將試驗件固定好。

2)使用鋁板作為接地平板,鋁板尺寸為4 m×6 m。

3)將試驗電極吊起,調整試驗電極的位置,使得其最低點與試驗件最高點的垂直距離>1.5 m。

4)沖擊電壓發生器的輸出端連接至試驗電極,試驗件接地端連接接地平板。

從表2初始先導試驗結果可以看出,在電極在接閃環斜上方的姿態,施加正極性電壓波形時,有兩次在測風儀上接閃,見圖4。從表1測風儀支架電場分布,可以得出以下結論。在這四種姿態中,接閃環的電場強度均小于測風儀的電場強度,尤其在電極位于接閃環3斜上方以及電極位于接閃環1斜上方的情況,電場強度比正上方的情況大,即2.63 kV/mm 大于2.58 kV/mm;2.67 kV/mm大于2.27 kV/mm。因此在電極位于接閃環斜上方的情況,測風儀更容易接閃,這與試驗結果相符。針對實際情況,當雷電流從機艙尾部傳導時,測風儀存在一定雷擊風險。

表2 初始先導試驗結果

圖4 測風儀支架初始先導試驗

3 雷電流損傷仿真和電弧引入試驗

3.1 雷電流損傷仿真

大電流仿真基于時變電流源方程,見式(1)和式(2)。雷電流加載在防雷接閃器結構上,考察防雷設備的電流分布、熱損傷,評估結構的雷電流通流能力。雷電流損傷的仿真模型見圖5。

圖5 雷電流損傷的仿真模型及電弧引入試驗布置

雷電流損傷仿真以首個正極性電流脈沖為電流源,表達式見式(7)[15-16],雷電流波形見圖6。

圖6 雷電流波形

(7)

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

測風儀支架雷電損傷仿仿真電流密度分布云圖見圖7示,溫度分布云圖見圖8示。

圖7 測風儀支架電流密度分布云圖

圖8 測風儀支架溫度分布云圖

3.2 電弧引入試驗

電弧引入試驗模擬雷電通道形成后的狀態。測風儀施加短沖擊電流分量,試驗波形參數如表3所示。電弧引入試驗布置如圖5所示。

表3 電弧注入試驗波形參數

試驗布置具體步驟如下:

1)使用絕緣支柱將絕緣板撐起,距離地面大于1 m。

2)使用G型夾、大力夾將試驗件固定于絕緣臺上。

3)將沖擊電流測試系統的輸出端連接至放電電極。

4)放電電極位于試驗件的上方,距離為50 mm。

5)在放電電極和放電位置間放置一根直徑0.1 mm 的細銅絲作為放電引線。

6)試驗件的兩個接地端連接沖擊電流發生器的回線端。

測風儀支架電弧引入試驗后圖片見圖9。

圖9 測風儀支架電弧引入試驗后照片

從圖8測風儀支架溫度分布云圖可以看出,在雷擊點處溫度大于316 L不銹鋼材料熔蝕溫度1 100 ℃,有輕微熔蝕。其余部分溫度均在40 ℃以下。從圖9試驗結果表明,測風儀支架短沖擊放電后雷擊處接閃環有燒蝕,整體結構無明顯損傷。仿真和試驗結果一致。

4 測風儀接閃器方案優化

如前文所述,測風儀以接閃環的結構作為接閃器,從仿真和試驗結果可得,接閃環的接閃效果不理想,即測風儀存在一定被雷擊的風險。接閃棒的端部表面曲率半徑比接閃環端部曲率半徑小,電場更加集中[18],在雷電環境下,更容易接閃。因此將接閃環的結構改成接閃棒的結構,進行高壓附著點仿真。接閃棒的排序和接閃環的排序一樣,最左側為接閃棒1,右側接閃棒為接閃棒3。仿真的結果見圖10。

圖10 測風儀支架電場分布云圖

根據表4測風儀支架的電場計算結果可知,可以看出接閃棒的電場強度為測風儀的電場強度大約兩倍,即接閃棒更容易接閃,進而可以有效的保護周圍的測風儀免受雷擊損傷,因此該接閃棒的方案較接閃環的方案更加可靠。

表4 測風儀支架不同姿態電場分布統計

4 結論

本研究首先對測風儀支架進行電磁熱理論分析,然后對風力發電機組測風儀支架開展雷電直接效應仿真計算和雷電流損傷仿真計算,以獲取葉片的雷電電壓附著點和雷擊效果以及雷電流損傷效果,隨后進行高電壓初始先導試驗以及雷電流引弧試驗。將試驗與仿真結果相對比,仿真模擬結果和試驗結果一致。仿真和試驗結果表明測風儀接閃環接閃效果不佳,下一步對測風儀接閃器結構進行改進,將接閃環的結構改成接閃棒的結構。通過本研究可以得到以下結論:

1)當接閃環作為接閃器應用在測風儀支架上,初始先導試驗結果表明接閃環下的測風儀有一定的雷擊概率。

2)當接閃環作為接閃器應用在測風儀支架上,高電壓附著點仿真結果表明,4種姿態下接閃環的電場強度均小于測風儀的電場強度,接閃環的電場強度約為測風儀的電場強度0.6倍。測風儀存在雷擊風險。

3)將接閃環改成接閃棒后,4種姿態下接閃環的電場強度比其下的測風儀大約2倍,雷擊的概率較接閃環的形式大幅減小。

4)測風儀支架電弧引入短沖擊放電后雷擊處接閃環有燒蝕,整體結構無明顯損傷。仿真結果為在雷擊點處溫度大于316 L不銹鋼材料熔蝕溫度1 100 ℃,有輕微熔蝕。仿真和試驗結果一致。