风机旋转叶片对雷电电场影响分析

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目 录

0 引言 1

1 叶片放电理论分析 2

1.1 电晕放电 2

1.1.1电晕放电现象 2

1.1.2电晕放电对环境电场的影响 2

1.1.3电晕电流与环境电场的关系 2

1.2 电晕放电的阈值判据 2

1.2.1电极处的阈值场 2

1.2.2阈值场的计算 3

1.2.3阈值电压的计算 3

1.3 正电晕放电机理 4

1.4 实际电场的计算 5

2 实验分析 7

2.1 实验模型 7

2.1.1实验整体模型 7

2.1.2 风机模型 8

2.2 实验方法 9

2.3 实验结果 9

2.3.1 电晕电流脉冲信号分析 10

2.3.2 叶片长度对电场的影响 11

2.3.3 叶片转动对电场的影响 15

2.3.4 叶片角度对电场的影响 17

3. 结论 20

参考文献 22

风机旋转叶片对雷电电场的影响分析

邹良骥

, China

Abstract：Aiming at the problem that the rotating blade of the wind turbine is vulnerable to lightning damage, this paper took the rotating blade of the wind turbine as the research object. The corona trigger simulation experiment is carried out on the rotating blade with different lengths, different speeds and different angles, and then the corona environment threshold and the corona discharge threshold of the rotating blade of the wind turbine are calculated. Compared with the variation of corona threshold and corona discharge threshold under different conditions, the rule(law) of rotating blades on Lightning Electric Field under different conditions is obtained. The conclusions we got are as follow : (1)when corona discharge threshold of the rotating blade used in the experiment is between 300kV/m~330kV/m, the threshold of the rotating blade will not change with the change of the length and angle of the blade. (2)Contrary to the condition that wind turbuine blade is at rest, the threshold value of the corona environment calculated under the condition of the wind turbuine blade rotating will be higher. The longer the blade length is and the higher the position of the blade is, the smaller the corona threshold will be.(3)The longer the length of the rotating blades is, the higher the position of the rotating blades will be, and so is the distortion of the lightning electric field. Provide some references for wind turbine protection by the rule discovered.

Key words：wind turbuine blade; electric field distortion; corona discharge; corona discharge threshold

0 引言

风能作为一种可再生能源，因其环保而被大力提倡。风力发电无论是从能源本质上，还是从能源供应结构上看，都是我国供电来源中所不可忽视的一个部分。随着我国能源需求的不断增长，风力发电也迅速发展。但是人们在风电发展过程中发现，由于风电场多建于旷野，极易遭受雷击。再加上风力发电机组规模的不断扩大，塔架的高度不断增加，其遭受雷击的可能性越来越大，遭受雷击的后果也越来越严重^[1-2]。统计数据表明^[3]，在风力发电机组遭受的雷击事故中，上行闪电与下行闪电之比是86:2。风机旋转叶片作为风力发电机组最高的部位，最易成为上行先导的起点，是最易遭受雷击的部位。风机旋转叶片一旦损坏，不仅会导致发电效率的降低，还会加大设备运行成本。目前已成为制约风电发展的重要问题^[4]。

针对风机旋转叶片以及类似金属尖端的接闪、放电特性，国内外的科研人员进行了大量研究。Wang D^[5]和Myers J^[6]等分别发现，旋转风力发电机组的接闪半径比相同高度下静态建筑的接闪半径大。李丹^[7]通过模拟发现，风机旋转叶片遭受雷击的概率远远高于风力发电机组其他部位，她分析可能是叶片造成的电场畸变更有利于触发上行先导。马宇飞等^[8]建立二维仿真模型，模拟风机旋转叶片周围空间的电荷分布情况，得出了叶片表面的电荷密度曲线。结果表明在叶片尖端处，正电荷分布最为密集。不仅如此，他还通过仿真得到了叶片周围的空间电场，证实在距叶片10m内叶片对空间电场有畸变作用，尤其是在距叶片尖端5m的地方，畸变效果最为明显。郭秀峰等^[9]对建筑物尖端造成的大气电场畸变进行研究，利用有限差分法求解拉普拉斯方程，得到建筑物尖端附近的空间电场。给出了最大电场畸变系数与尖端高度、尖端宽度以及尖端所处位置的关系。Williams J M A R^[10]通过对闪电测绘阵列和高速摄像结果的分析，认为风机旋转叶片的转动会提高上行先导触发的概率。周诗健^[11]对强电场探空仪的尖端感应原件进行了研究，实验巧妙消除电极板对电晕电流的影响，测试尖端导线在均匀电场中的起晕电场值与电晕放电电流，得到了导线长度、起晕电场值、电晕电流的关系式。朱俊儒^[12]在周诗健的实验基础之上，不仅探讨了金属尖端的材质、环境温度对金属尖端电晕触发阈值的影响，还利用有限单元法解出拉普拉斯方程，得到了电晕触发阈值。除此之外，还考虑了分辨率的对电晕触发阈值计算的影响。给出了分辨率与电晕触发阈值的关系式，以及在不同分辨率时，电晕放电电流与环境电场之间的函数式。蓝磊等^[13]利用弧面电极与一个1：30放缩比的风机模型，在间隙为1m的情况下，对不同转速的风机旋转叶片进行了大量接闪测试。数据说明风机旋转叶片的转速越快，击穿电压越大。叶片的旋转会抑制上行先导的发展。以上学者在接闪或放电方面做了大量研究，但是在风机旋转叶片对电场影响方面说明甚少。

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