一种旋转风机雷电击距公式修正方法及系统

1.本发明属于风机雷电防护技术领域，特别涉及一种旋转风机雷电击距公式修正方法及系统。


背景技术：

2.风能分布广泛，资源丰富，且开发历史悠久，是目前建设规模较大，发展前景较好的可再生能源之一。然而，随着风力发电机装机容量不断增加，风力发电机高度也日益增高，雷击风力发电机逐渐成为威胁风电场安全稳定运行的主要因素之一。
3.叶片是风力发电机中最易遭受雷击且最脆弱的部分。由于每个风力发电机在使用寿命期间都可能遭受大量的雷击，因此所有叶片均具有防雷接闪系统，以减少此类事故发生时的影响。风机接闪特性主要受风机高度，叶片接闪器结构以及风机旋转特性的影响，因此对风机叶片雷电屏蔽的仿真计算有必要将其考虑进去。目前主流应用的雷电屏蔽计算模型中，主要有电气几何模型和先导发展模型。电气几何模型由于无法考虑上行先导，不适用于高耸目标物的雷电接闪计算。先导发展模型计算需求大，计算时间长，不适用于风机等复杂目标物的雷电屏蔽计算。因此目前有诸多学者，提出利用先导发展法计算高耸目标物的随雷电流变化的雷电击距，并结合电气几何模型对结构复杂目标物进行计算，进而将风机结构高度和叶片接闪器结构等纳入到雷电屏蔽模型考虑因素当中。然而目前研究中，对于风机雷电击距的试验数据推导或者仿真计算中，均未考虑叶片旋转带来的空间电荷变化以及叶尖位置变化对风机接闪能力的影响。
4.因此，为了研究旋转风机雷击接闪特性，本发明在前人对电气几何法和先导发展法研究基础上，考虑叶片旋转对风机接闪能力的影响，对旋转风机雷电击距公式进行修正，提出一种旋转风机雷电击距公式修正方法。


技术实现要素：

5.针对背景技术存在的问题，本发明提供一种旋转风机雷电击距公式修正方法，该方法可在一定程度上反映叶片旋转对风机雷电击距的影响，适用于风机叶片雷击接闪概率的工程计算。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种旋转风机雷电击距公式修正方法，包括：
7.根据先导发展法计算不同雷电流幅值下的雷电击距，并将其拟合，得到雷电流与雷电击距的关系式；
8.进行旋转风机长间隙放电试验，获取不同间隙距离静止和旋转工况下风机长间隙放电电压；
9.统计不同间隙距离下，风机以不同转速运行时的间隙50％击穿电压，根据试验得到的50％击穿电压与间隙距离，得到其拟合关系式；
10.求击距公式的表达式；
11.将风机不同转速下的击距公式与静止工况下的击距公式相除，得到不同雷电流下旋转对击距的影响系数kr，以及不同转速和雷电流幅值下雷电击距修正系数曲线；
12.采用地区最大概率雷电流幅值时的不同目标物击距之比作为修正系数；在雷电击距修正系数中引入雷电流幅值和叶尖线速度作为变量，得到叶片旋转对雷电击距的修正系数。
13.在上述旋转风机雷电击距公式修正方法中，所述先导发展法计算不同雷电流幅值下的雷电击距包括：
14.当先导稳定起始后，上行下先导以相同的发展速度，向前发展，直到二者先导头部之间平均场强达到500kv/m时，则认为将发生跃变，先导连接主回击产生，此时上行下行先导头部间的距离，定义为此雷电流幅值下的击距r。
15.在上述旋转风机雷电击距公式修正方法中，所述进行旋转风机长间隙放电试验包括以下步骤：
16.搭建旋转风机长间隙放电试验平台，试验平台包括缩比风机、弧形电极、放电击穿电压测量系统；改变以下试验参数进行试验：
17.(1)间隙距离；间隙距离为风机叶尖距离圆弧形电极最短距离，间隙距离不小于4m，且选择多个间隙距离进行试验；
18.(2)运行工况；对叶片位于不同角度的风机典型静止工况以及风机以不同转速运行的风机旋转工况进行试验；
19.(3)结果参数；试验时每种工况至少40次放电，获取风机长间隙50％放电电压；每次放电时记录大气环境参数，包括温度、湿度以及气压；将所得放电电压结果换算到标准大气压条件下。
20.在上述旋转风机雷电击距公式修正方法中，所述拟合关系式为：
21.u
50％
＝a
×
db22.其中，u
50％
为间隙的50％放电电压，mv；d为间隙距离，m，a和b为拟合得到的系数。
23.在上述旋转风机雷电击距公式修正方法中，所述击距公式的表达式为：
24.设雷电先导对导线的击距为rc，单位m；对避雷线的击距为r
gw
，单位m；对大地的击距为rg，单位m，则大地击距系数kg和避雷线击距系数k
gw
分别为：
[0025][0026][0027]
根据先导头部电位公式：
[0028]vs
＝3.7i
2/3
[0029]
其中，vs为先导头部电位，单位mv；i为雷电流幅值，单位ka；
[0030]
设间隙的u
50％
与雷电先导最后一击前先导头部电位vs相等，则根据kg和k
gw
的表达式，得到击距公式的表达式rc。
[0031]
用于旋转风机雷电击距公式修正方法的系统，包括：拟合模块，用于拟合不同雷电流幅值下的雷电击距，得到雷电流与雷电击距的关系；试验模块，用于旋转风机长间隙放电试验；数据处理模块，用于处理试验模块的数据，得到叶片旋转对雷电击距的修正系数，引
入雷电流幅值和叶尖线速度作为变量，对叶片旋转对雷击击距的影响进行评估。
[0032]
一种电子设备，存储计算机可执行指令的计算机可读存储介质；和一个或多个处理器，所述一个或多个处理器耦接到所述计算机可读存储介质并被配置为执行所述计算机可执行指令，以使得所述设备执行旋转风机雷电击距公式修正方法。
[0033]
8.一种可读存储介质，其特征在于，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令当由处理器执行时，将处理器配置为执行旋转风机雷电击距公式修正方法。
[0034]
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明基于旋转风机长间隙放电试验结果，提出考虑旋转下的风机雷击击距修正系数。所提出的叶片旋转对风机雷击击距的影响系数计算方法，能在一定程度上反映叶片旋转对风机雷击击距的影响，适用于风机叶片雷击接闪概率的工程计算。本发明可为旋转风机的防雷系统设计提供理论支撑，对于降低旋转风机雷击损坏风险具有重要意义。
附图说明
[0035]
图1是本发明实施例静止工况下叶片各接闪器雷电流与其击距关系曲线；
[0036]
图2是本发明实施例三维风机发电机模型叶片及接闪系统意图；
[0037]
图3是本发明实施例长间隙下负极性操作波试验等效电路图；
[0038]
图4是本发明实施例缩比风机及圆弧电极实物图；
[0039]
图5是本发明实施例不同转速和雷电流幅值下旋转雷电击距修正系数曲线；
[0040]
图6是本发明实施例不考虑叶片旋转和考虑叶片旋转下雷电击距与雷电流幅值曲线。
具体实施方式
[0041]
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0043]
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0044]
本实施例一种旋转风机雷电击距公式修正方法，首先基于先导发展法计算不同雷电流幅值下的雷电击距，并将其拟合，得到雷电流与雷电击距的关系公式；然后基于旋转风机长间隙放电试验结果，通过对不同间隙距离、不同工况下风机长间隙放电电压试验结果的拟合，提出叶片旋转对风力发电机击距的修正系数，并引入雷电流幅值和叶尖线速度作为变量，对叶片旋转对雷击击距的影响进行评估。该方法可在一定程度上反映叶片旋转对风机雷电击距的影响，适用于风机叶片雷击接闪概率的工程计算。
[0045]
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种旋转风机雷电击距公式修正方法，包括以下步骤：
[0046]
步骤1，基于先导发展法计算不同雷电流幅值下的雷电击距，并将其拟合，得到雷电流与雷电击距的关系公式。当先导稳定起始后，上行下先导以相同的发展速度，向前发
展，直到二者先导头部之间平均场强达到500kv/m时，则认为将发生跃变，先导连接主回击产生，此时上行下行先导头部间的距离，定义为此雷电流幅值下的击距r。
[0047]
步骤2，进行旋转风机长间隙放电试验，获取不同间隙距离下静止和旋转工况下风机长间隙放电电压。对击距修正系数的推导需开展大量长间隙放电试验，获取间隙50％击穿电压，且间隙距离不应小于4m，才能保证计算模型能一定程度上模拟实际目标物雷击接闪过程。
[0048]
搭建旋转风机长间隙放电试验平台，试验平台包括缩比风机、弧形电极、放电击穿电压测量系统。为了全面地获取不同工况风机长间隙放电特征规律，改变以下试验参数进行试验：
[0049]
(1)间隙距离。为了尽量模拟实际雷击情况，间隙距离(即风机叶尖距离圆弧形电极最短距离)不应小于4m，且应选择多个间隙距离进行试验。
[0050]
(2)运行工况。对风机典型静止工况(即叶片位于不同角度时)开展试验；以及风机不同旋转工况(即风机以不同转速运行，如中等转速和额定转速)时开展试验。
[0051]
(3)结果参数。试验时每种工况开展至少40次放电，以获取风机长间隙50％放电电压。此外每次放电时记录大气环境参数，包括温度、湿度以及气压等，由于试验周期较长，放电之间环境条件有所差异，为了尽量排除外部环境的影响，将所得放电电压结果换算到标准大气压条件下。
[0052]
步骤3，统计不同间隙距离下，风机以不同转速运行时的间隙50％击穿电压，根据试验得到的50％击穿电压与间隙距离，得到其拟合关系式如下式所示：
[0053]u50％
＝a
×
db[0054]
其中，u
50％
为间隙的50％放电电压，mv；d为间隙距离，m，a和b为拟合得到的系数。
[0055]
步骤4，假设雷电先导对导线的击距为rc(m)；对避雷线的击距为r
gw
(m)；对大地的击距为rg(m)，则大地击距系数kg和避雷线击距系数k
gw
分别下两式定义：
[0056][0057][0058]
根据先导头部电位公式：
[0059]vs
＝3.7i
2/3
[0060]
其中，vs为先导头部电位，mv；i为雷电流幅值，ka。
[0061]
假设间隙的u
50％
与雷电先导最后一击前先导头部电位vs相等，则根据kg和k
gw
的表达式，可以得到击距公式的表达式rc。
[0062]
步骤5，将风机不同转速下的击距公式与静止工况下的击距公式相除，可以得到不同雷电流下旋转对击距的影响系数kr，得到不同转速和雷电流幅值下雷电击距修正系数曲线。
[0063]
步骤6，根据经典电气几何模型计算方法，为考虑工程应用，可采用雷电流幅值为30ka时(大部分地区雷电流幅值最大概率)的不同目标物击距之比作为修正系数。对于风力发电机接闪特性，由于不同雷电流下，叶尖电晕放电发生程度不一，空间电荷分布有差异，叶片旋转可能造成叶尖空间电荷迁移和重新分布不同。同时不同容量风机的叶尖线速度也
相差巨大，也会造成此类差异，因此在步骤5中得到的修正系数中引入雷电流幅值和叶尖线速度作为变量，对叶片旋转对雷击击距的影响进行评估，得到具体叶片旋转对雷电击距修正系数。
[0064]
本实施例还提供了一种用于旋转风机雷电击距公式修正方法的系统，包括：拟合模块，用于拟合不同雷电流幅值下的雷电击距，得到雷电流与雷电击距的关系；试验模块，用于旋转风机长间隙放电试验；数据处理模块，用于处理试验模块的数据，得到叶片旋转对雷电击距的修正系数，引入雷电流幅值和叶尖线速度作为变量，对叶片旋转对雷击击距的影响进行评估。
[0065]
一种电子设备，存储计算机可执行指令的计算机可读存储介质；和一个或多个处理器，所述一个或多个处理器耦接到所述计算机可读存储介质并被配置为执行所述计算机可执行指令，以使得所述设备执行旋转风机雷电击距公式修正方法。
[0066]
一种可读存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令当由处理器执行时，将处理器配置为执行旋转风机雷电击距公式修正方法。
[0067]
具体实施时，一种旋转风机雷电击距公式修正方法，包括：
[0068]
s1.基于先导发展法计算得到风机叶片静止工况下叶尖接闪器，第二接闪器、第三接闪器以及靠近叶尖接闪器的叶片本体雷电流幅值与雷电击距的关系公式及曲线，如附图1所示。仿真具体的风机三维实物模型在comsol中建立，叶片长度为35m，叶片上分别在叶尖、离叶尖10m和离叶尖20m处布置接闪器，叶尖接闪器将叶尖包裹，如附图2所示。
[0069]
s2.搭建长间隙试验平台的等效电路图如附图3所示。实施例的缩比风机采用三叶片结构，叶片使用玻璃纤维增强型复合材料制作，实际37.5m长的叶片，根据1:30缩比比例，模拟风机叶片长度为1.25m，如附图4所示。
[0070]
风机转速由动力传动系统控制，动力传动系统由变频器、异步电动机以及传动皮带构成，通过变频器频率调节电动机转速，电动机带动传动皮带运动，进而使的轮毂同步转动，从而实现风机叶片转速可调，转速和频率间的关系如下公式所示：
[0071]
n＝60f/p
[0072]
其中，n电机转速,转/分钟；f:变频器频率；p:电机磁极对数。
[0073]
叶尖线速度与叶片转速存在以下换算关系：
[0074][0075]
其中，v—叶尖线速度，m/s；w—叶片转速，r/min；l—叶片长度，m。
[0076]
为了模拟典型mw级风机额定转速下的叶尖线速度，将变频器频率选择为30hz，此时转速w为450r/min，叶尖线速度为58.9m/s。此外另一种旋转工况，变频器设置为16.7hz，转速为250r/min，此时叶尖线速度约为32.7m/s，模拟风机中等转速状态。风机叶片与弧形电极之间的距离可调。通过调整冲击发生器相关参数，使冲击电压发生器产生试验所需电压波形，并通过分压器实现电压波形的测量。
[0077]
s3.统计1-8m间隙距离下，静止，250r/min和450r/min工况下的间隙50％击穿电压，根据试验得到的50％击穿电压与间隙距离，得到其拟合关系式。具体如下表所示：
[0078]
表1不同间隙距离和转速条件下间隙击穿电压(mv)
[0079][0080][0081]
s4.根据先导头部电位公式：
[0082]vs
＝3.7i
2/3
[0083]
其中，vs为先导头部电位，mv；i为雷电流幅值，ka。
[0084]
假设间隙的u
50％
与雷电先导最后一击前先导头部电位vs相等，则根据kg和k
gw
的表达式，可以得到击距公式的表达式rc。
[0085]
表2风机不同转速条件击距公式
[0086][0087]
s5.将表中30m/s和60m/s的击距公式与静止工况下的数据相除，得到不同雷电流下旋转对击距的影响系数kr，如附图5所示。
[0088]
s6.采用雷电流幅值为30ka时(大部分地区雷电流幅值最大概率)的不同目标物击距之比作为修正系数。引入雷电流幅值和叶尖线速度作为变量，对叶片旋转对雷击击距的影响进行评估，根据该曲线，得到具体叶片旋转对雷电击距修正系数如下：
[0089][0090]
其中，kr为旋转影响系数；v为风机叶尖线速度，m/s；i雷电流幅值，ka。实施例计算中，叶尖线速度为60m/s，因此叶尖接闪器击距修正系数采用kr＝1.07
×i0.05
，第二接闪器和第三接闪器所处位置线速度分别为42m/s和25m/s，因此击距修正系数分别为kr＝1.04
×i0.036
和kr＝1.01
×i0.016
，对于对不同角度下和接闪器下的击距公式进行修正，具体修正结果如附图6所示。
[0091]
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种旋转风机雷电击距公式修正方法，其特征在于，包括：根据先导发展法计算不同雷电流幅值下的雷电击距，并将其拟合，得到雷电流与雷电击距的关系式；进行旋转风机长间隙放电试验，获取不同间隙距离静止和旋转工况下风机长间隙放电电压；统计不同间隙距离下，风机以不同转速运行时的间隙50％击穿电压，根据试验得到的50％击穿电压与间隙距离，得到其拟合关系式；求击距公式的表达式；将风机不同转速下的击距公式与静止工况下的击距公式相除，得到不同雷电流下旋转对击距的影响系数k
r
，以及不同转速和雷电流幅值下雷电击距修正系数曲线；采用地区最大概率雷电流幅值时的不同目标物击距之比作为修正系数；在雷电击距修正系数中引入雷电流幅值和叶尖线速度作为变量，得到叶片旋转对雷电击距的修正系数。2.根据权利要求1所述旋转风机雷电击距公式修正方法，其特征在于，所述先导发展法计算不同雷电流幅值下的雷电击距包括：当先导稳定起始后，上行下先导以相同的发展速度，向前发展，直到二者先导头部之间平均场强达到500kv/m时，则认为将发生跃变，先导连接主回击产生，此时上行下行先导头部间的距离，定义为此雷电流幅值下的击距r。3.根据权利要求1所述旋转风机雷电击距公式修正方法，其特征在于，所述进行旋转风机长间隙放电试验包括以下步骤：搭建旋转风机长间隙放电试验平台，试验平台包括缩比风机、弧形电极、放电击穿电压测量系统；改变以下试验参数进行试验：(1)间隙距离；间隙距离为风机叶尖距离圆弧形电极最短距离，间隙距离不小于4m，且选择多个间隙距离进行试验；(2)运行工况；对叶片位于不同角度的风机典型静止工况以及风机以不同转速运行的风机旋转工况进行试验；(3)结果参数；试验时每种工况至少40次放电，获取风机长间隙50％放电电压；每次放电时记录大气环境参数，包括温度、湿度以及气压；将所得放电电压结果换算到标准大气压条件下。4.根据权利要求1所述旋转风机雷电击距公式修正方法，其特征在于，所述拟合关系式为：u
50％
＝a
×
d
b
其中，u
50％
为间隙的50％放电电压，mv；d为间隙距离，m，a和b为拟合得到的系数。5.根据权利要求1所述旋转风机雷电击距公式修正方法，其特征在于，所述击距公式的表达式为：设雷电先导对导线的击距为r
c
，单位m；对避雷线的击距为r
gw
，单位m；对大地的击距为r
g
，单位m，则大地击距系数k
g
和避雷线击距系数k
gw
分别为：
根据先导头部电位公式：v
s
＝3.7i
2/3
其中，v
s
为先导头部电位，单位mv；i为雷电流幅值，单位ka；设间隙的u
50％
与雷电先导最后一击前先导头部电位vs相等，则根据k
g
和k
gw
的表达式，得到击距公式的表达式r
c
。6.用于权利要求1-5任意一项所述旋转风机雷电击距公式修正方法的系统，其特征在于，包括：拟合模块，用于拟合不同雷电流幅值下的雷电击距，得到雷电流与雷电击距的关系；试验模块，用于旋转风机长间隙放电试验；数据处理模块，用于处理试验模块的数据，得到叶片旋转对雷电击距的修正系数，引入雷电流幅值和叶尖线速度作为变量，对叶片旋转对雷击击距的影响进行评估。7.一种电子设备，其特征在于，存储计算机可执行指令的计算机可读存储介质；和一个或多个处理器，所述一个或多个处理器耦接到所述计算机可读存储介质并被配置为执行所述计算机可执行指令，以使得所述设备执行根据权利要求1-5中任一项所述的方法。8.一种可读存储介质，其特征在于，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令当由处理器执行时，将处理器配置为执行根据权利要求1-5中任一项所述的方法。

技术总结
本发明涉及风机雷电防护技术，具体涉及一种旋转风机雷电击距公式修正方法及系统，该方法基于先导发展法计算不同雷电流幅值下的雷电击距，并将其拟合，得到雷电流与雷电击距的关系公式，然后基于旋转风机长间隙放电试验结果，通过对不同间隙距离、不同工况下风机长间隙放电电压试验结果的拟合，提出叶片旋转对风力发电机击距的修正系数，并引入雷电流幅值和叶尖线速度作为变量，对叶片旋转对雷击击距的影响进行评估。该方法可在一定程度上反映叶片旋转对风机雷电击距的影响，适用于风机叶片雷击接闪概率的工程计算。击接闪概率的工程计算。击接闪概率的工程计算。


技术研发人员：邓冶强 方超颖 杨仟慧 王羽 蓝磊 文习山 许军 黄友聪 程韵初 陈少康 张莹
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/10/8