基于先导发展模型法的风机叶片接闪优化

发布时间：2020-06-26 23:29

【摘要】：为了提高风力发电的经济效应,发展大容量风力发电机组已经成为未来风电市场的必然趋势。但随着发电容量的提升,风机的叶片长度和整机高度也必然随之增加,这会导致风电机组的雷击风险大大提高。雷击风电机组会造成的巨大的经济损失。在雷击造成损坏的各风机部件中,以叶片的受损的情况最为严重,会带来最高的维修费用和最长的停工时间,这极大的影响了风机的经济效益。因此,亟待提出一种在雷击风力发电机组时能够对叶片进行有效保护的措施。利用Ansoft对叶片进行电磁场仿真,首先确认了风机的叶尖是雷电的易击点,必须要安装金属接闪器加以保护;同时叶身也存在一定的雷击风险,还要额外在叶身上安装接闪器以实现对整个叶片的有效保护。根据初步电磁场仿真的结果,本文提出了五种有效的接闪器方案。由于电磁场仿真存在一定的局限性,单依靠电场强度来判断各个方案的有效性的方法存在不合理之处。因此,本文考虑到先导发展模型是与实际中叶片上上行先导起始物理过程最为接近的模型,提出了一种基于先导发展模型而建立的风机叶片接闪模型,以此来对各方案的有效性进行比较。基于电位畸变的空间电荷的计算方法,本文推导了适用于单个叶尖接闪器的叶片先导发展模型。但通过对先导起始条件进行分析,认为实际中雷击风电机组时,叶片往往处于旋转状态;同时叶片上往往安装有多个接闪器,容易产生多个上行先导并形成竞争态势。因此,需要根据实际工况对风机叶片上先导发展模型进行改进。本文根据负极性流注的能量平衡方程推导了叶片上先导起始时的温度计算公式,改进了先导起始条件,得到了适合多接闪器方案的叶片接闪模型,并通过数值计算得到了各方案中接闪器的击距。结合电气几何法,根据得到的击距做出各方案的电气几何图,并针对风机叶片单接闪器和多接闪器的情况,分别推算了暴露距离计算公式,利用风机防雷系统效率计算公式推算了各个方案的屏蔽效率,最终确认了叶尖安装1个接闪器、叶身均匀安装2个接闪器的方案对叶片有最好的保护效果。
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM315
【图文】：

电场所面临的雷击问题的严重程度有所不同。 IEC61400-24 中统计的数据显示，在德国、瑞典等处于低落雷率区的欧洲风力发电机组每年有 4-8 台遭受雷击而损坏；对于发电容量大于 450kW 的组，其叶片受损率可高达 41%，远超风电机组其它部件，如图 1.4 所示。

图 1.6 不同金属接闪器类型Fig.1.6 Different types of metal receptors运行经验总结机叶片具有偶然性，会因为地理环境、雷电流参数、风机型号、影响而导致结果出现一定的差异性，但通过大量数据总结出来的的雷电防护具有指导意义。际运行经验的总结，我们大致可以得出以下结论：叶尖是雷电易击点，雷击点往往集中在叶尖 1~5m 的区域范围内[6表面污染、受潮，或者存在瑕疵（导致几何形状不规则）的叶片，面之间的强场中，相对更容易出现电晕放电的现象，这就意味着沿海地区由于盐雾浓度大，叶片上污染受潮的情况严重，更易被雷更为严峻。因为海岸风速高，往往采用扫风面积更大、发电量更 I 级风力发电机组，因此海上风电场面临的雷击受损情况比陆地

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本文编号：2731039