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风力涡轮机的防雷-实际雷击数据与有限元雷电连接分析的比较
摘要:风力机防雷系统已经发展到雷击损伤已经相对较少的程度。然而，随着风电场移至海上，制造商正努力不断改进防雷系统，同时确保它们符合相关的IEC标准。海上风力发电场的情况尤其重要，因为如果由于雷击造成损坏后，风力机还能维持运转，要做到这一点是很困难的。本文详细介绍了风力发电机组雷击连接中上行先导的建模工作。利用现有的有限元分析软件，建立了某大型风力发电机组的三维静电模型。这个全比例尺模型受到的电场强度相当于带电云产生的电场强度。然后，将这些模拟结果与来自世界各地风力涡轮机和风电场的真实雷击数据分析结果进行比较。
关键词——闪电、风力涡轮机、有限元、建模、电场。
海上正在开发的风力涡轮机的规模正在扩大，而且这种趋势在不久的将来不太可能减弱。陆上风力涡轮机的雷击频率通常是根据下行闪电连接的可能性来计算的。然而，更高的风力涡轮机，比如海上使用的那些，将越来越容易受到上行闪电的影响。这种形式的闪电(将在后面的部分进行更详细的讨论)是由风力涡轮机本身在雷雨云的存在下触发的，并且能够显著增加风力涡轮机每年遭受雷击的次数。由于连接过程与下行闪电的过程根本不同，关于闪电可能的着力点也存在不确定性。目前的涡轮防雷系统已被证明对下行的闪电相当有效，但如果假设相同的系统对向上的闪电也有效，则存在潜在的风险。
本文旨在研究风力涡轮机结构上可能形成向上传播的闪电的可能点。它还将这些结果与真实的雷击数据进行了比较，看看结果是否相关。在导言部分，给出了风力机雷电问题产生的背景，并对雷电现象进行了较为全面的描述。后面的章节介绍了本文所使用的有限元模型和相应的结果。
闪电是大气中电流的一种放电。雷电流最高记录值为250kA[1][2]左右。然而,这个值是非常罕见,中值(一个向下的负中风)与中位数的值大约30 ka电荷转移和特定的能量分别是5.2 c和55焦每Ω[1][2]。雷击过程中可见的部分，不管雷击是否击中地面，都被称为“闪电”。闪电的各个组成部分被定义为中风。就风力涡轮机而言，闪电可分为两种主要类型，向上启动和向下启动。这些也被称为云对地和云对地闪电。这两种形式的闪电可以进一步细分为正极性和负极性，极性是电荷从云转移到地面的极性。
向下启动的闪电从云开始，一个阶跃先导向地球移动。引线末端，引线尖端，相对于地表[3]大于10MV。当尖端下降时，它会提高地球表面的电场强度。当磁场显著升高时，特别是在尖锐和/或高的物体周围，空气发生局部电离，应答先导被发射出来，并向向下传播的先导移动。
当应答引线和阶跃引线相遇时，就完成了从云到地球的通道或路径，从而允许云中的电荷通过电离通道。在决定风力涡轮机的哪个点会被闪电击中时，这些应答器形成的位置是至关重要的。第一次有效电流的传输是第一次回程，其峰值可达几百千安培，典型的持续时间为几百微秒。在一定的时间间隔后，进一步的笔画可能会沿着已经电离的路径进行，这被称为后续的返回笔画(图1)。平均来说，一个向下的负闪光可能包含2到3个后续的返回笔画。正向下闪(仅占全世界观测到的10%)的强度更高，但通常不包含随后的中风。
b .向上引发的闪电
高结构和物体的存在带来了另一种形式的闪电，这是向上发起的。高大的结构增强了雷雨云产生的电场，这可以产生向上传播的先导物，这些先导物向雷雨云移动，然后发展成闪电。因此，连接过程与向下传播闪电有些不同，这个问题将在后面的部分中讨论。这种现象在云层高度很低的地方特别常见(通常在冬季沿海地区或山区)。向上放电的轮廓与向下启动放电的轮廓不同(图2)。
向上启动的放电通常以连续电流开始，在连续电流上可以叠加短时间的大电流脉冲。虽然与向下闪电相比，在10kA[3]附近的电流值相当低，但与持续电流相关联的电荷转移可能相当高。最初的持续电流之后可能会出现若干次回程，这些回程类似于在负向向下闪电中观察到的回程。
闪电和风力涡轮机
雷击所携带的高峰值电流是一种重要的能量来源。如果风力发电机防雷系统不能通过低阻抗路径将雷电电流安全地引到地面，就会造成严重的损坏。如果风力涡轮机的一个部件损坏了，有两件事需要考虑;由此产生的维修费用和因停机而造成的生产损失。考虑到风力涡轮机已经转移到近海地区，而且需要使用特殊的浮吊，这些成本和维修时间在近几年只会增加。由于受到雷击可能造成的损坏和停机风险，所有新风机通常都配备了防雷系统。在[4]中给出了如何实现这一点的指导。
风力发电机防雷装置的主要功能是:
bull;成功地将雷击连接/形成到首选的连接点，如叶片上的空气终端系统
bull;促进雷电电流通过系统进入地球，而不会对系统造成损害，包括高水平的电场和磁场造成的损害
bull;最大限度地降低风力涡轮机内部和周围的电压水平和电压梯度
这些功能可以通过许多不同的方法来实现，这些方法随着新风力涡轮机的发展而改变和改进。由于叶片是涡轮的最高部分，因此特别容易被雷电连接，因此叶片通常被认为是风力涡轮机防雷方面极为重要的部分。风力涡轮机叶片上安装的不同类型的防雷装置有[3]:
bull;叶片表面的空气终端系统
bull;高电阻磁带和分流器
bull;放置在叶片内部的向下导体
bull;叶片表面导电材料
在所有类型的LPS中，金属的空气端子、带、分流器和下行导线的截面应足够大，使其能够安全地传导雷电流，而不会造成任何物理损伤。
一种应用广泛的系统是由能够携带雷电电流的内部避雷针组成的内部防雷系统。金属感受器(图3)作为空气终端穿透叶片表面，然后连接到下导体。该系统的外部受体连接到一个内部下导体是广泛用于叶片高达60m[3]和该系统不太可能改变叶片较大的长度。
根据[8]，与没有安装防雷装置的转子叶片相比，安装防雷装置的转子叶片遭受大面积损坏的可能性要小得多。目前旋翼叶片的防雷系统设计能够承受98%的[5]雷击，但仍然存在损坏的风险，特别是在连接点。有关在风力涡轮机中观察到的雷击损伤类型和可用于验证/了解防雷性能的实验室试验类型的更多信息，请参阅[4][5][9]。
四、雷电数据源
本文使用的闪电数据来自于海洋风电场。这些数据是在三年多的时间里收集的，最古老的雷击记录是在2003年6月，最后一次分析的读数是在2006年10月。这相当于216年的涡轮机寿命。
这个风电场的数据有两种收集方式。第一个测量系统是有源Jomitek系统。它由两根天线组成，分别位于[10]和[11]发射塔的两侧。当风力发电机受到雷击时，由于塔周围磁场的变化率，雷击电流会向天线系统中产生电压。通过将天线的输出加在一起，风力涡轮机外的雷击就会受到歧视。Jomitek系统有一个简单的模拟触发电平，在海上风电场设置为1 kA峰值。该测量系统的输出与涡轮SCADA系统相连接。在系统被触发的情况下，会发出警报，但没有获得有关闪电电流可能大小的数据。因此，OBO Bettermann生产的峰值电流传感器(PCS)卡被放置在每个叶片和保护航空灯和风向标的航空终端的下导体上。这些卡片上有一条磁条，上面印着预先确定的信号。当放置在下导体附近时，由雷电流产生的磁场会擦除磁条的一部分，通过读卡器，可以发现卡片所观察到的电流。一旦Jomitek系统被触发，就有可能去风力涡轮机取下PCS卡，从而获得有关雷击强度和部件被击中的知识。PCS卡只能记录一个峰值电流(最高观测值)。在多次攻击中，不可能确定攻击的数量。此外，pc卡的范围有3-120卡。小于3 kA的峰值电流未注册，大于120的峰值电流注册为120kA。
来自海上风电场的数据首先通过显示风力涡轮机的部件来进行检查，PCS卡显示报警后的电流读数。多次登记出现在许多场合。
图4中的数据显示，风向标和航空灯PCS卡(实际安装在这些部件的避雷针上)表示有规律地通过这些部件的雷电流。这一结果与其他一些研究人员的工作形成了对比，他们认为叶片是风力涡轮机中最有可能被闪电[3][5][8][12][13]击中的部分。然而，由于大多数风力涡轮机没有配备pc卡，而那些主要安装在叶片上的pc卡，对于大多数风力涡轮机来说，除了叶片之外，没有其他地方的闪电有效注册。从图4可以看出，风向标受到雷击的可能性增加。对风向标打击次数的增加可以用向上闪电的增加来解释(下一节的附件模型将对此进行说明)。通过对月雷击分布的分析，进一步证实了向上闪电是雷击率的主要贡献因素的假设。如图5所示的数据给出
由活动报警系统根据日期检测到的事件，从每个pc卡读取的峰值电流。在51次闪电事件中，有33次发生在冬季。这表明，即使在风电场不太容易发生冬季闪电的国家，冬季闪电也是一个重要的现象。
在其他易受冬季闪电影响的地区，透过对大厦的闪电活动的观察，我们发现下列情况:
bull;相对于夏季[15]，冬季高层建筑的雷击发生率更高。
bull;这些雷击中有很大一部分(高达98%)是向上传播的(值得注意的是，在任何季节，任何显著高大的建筑物都可能主要接收向上传播的闪电)。即使在平坦的地形和中等高度的物体上，也有大量向上的[15][16]撞击。
bull;冬季闪电在一道闪电中同时击中多个塔楼。在[16]中详细的研究中，这些同时发生在多个点的中风的概率高达20%
所提供的数据与第一个要点的发现相符，即冬季闪电多于夏季闪电。第二颗子弹是关于向上闪电的数量。
云和风力涡轮机的有限元模型
风力涡轮机闪电连接的有限元模型已经由其他研究人员完成，[14][17][18]是其中一些工作的例子。然而，除了少数例外，这些模型大多集中于向下传播的闪电，因此涉及到一个阶梯式先导的建模，以检查风力涡轮机上/周围的电场环境的结果。考虑向上传播闪电的一个例子是[14]，作者专门研究了向上传播闪电，比较了叶片运动和停止时可能的闪电连接点。本文分析了静止状态下叶片不同角度位置的电场增强。研究结果表明，风力发电机组存在较高的场增强倾向，叶片运动时引线位置较多。因此，建议停止叶片的运动，以减少雷击连接的风险。
从上一节分析的雷击数据可以看出，向上触发的雷击可能是连接到风力涡轮机的雷击的很大一部分。因此，本文在评估风力机可能的连接点时，只考虑了向上的闪电。与以往的风力机模型[14][17]相比，所使用的模型包括机舱后部的风向标，并对风向标与叶片侧侧的雷电连接风险进行了分析。
a .云模型
通常用来复制雷雨云下电场的模型包括由两个正电荷和一个负电荷组成的垂直三极体。已生成的各种模型的摘要可在
[15]。这里所模拟的云模型是从这个源中获得的，由悬浮在空中的三点电荷组成，这些电荷与地面的高度不同。在模拟中，地面被模拟成一个完美的导体。这三个3C、-40C和 40C的电荷分别放置在距地面2、7和12公里的高度。电荷模型为半径900m的40C电荷和半径150m的3C电荷。选择球体大小的方法是这样的:当网格化过程发生时，模型中感兴趣区域的电场是准确的。模型如图6所示。
图7给出了由于这一垂直三极而产生的地面电场的垂直分量。该图与文献[15]一致，最大环境场略大于5kV/m(由于模型运行，图中的E分量必须按1000倍缩放)。根据静电场分析软件中采用的惯例，在[15]极性下，取一个向下的有向场为正。
b .风力机和叶片模型
所建立的模型是基于一台2MW的风力发电机组。在模拟中使用的叶片模型为40米长，是一个真实叶片的简化，因为它完全由玻璃纤维制成，相对介电常数为4。用于设计叶片的翼型弦长为2.75m，室长(上 下)为0.9m，整个叶片厚度保持为10cm。由于复杂的形状和啮合困难，这些尺寸沿模型的大部分长度保持，虽然几个翼型通常用于实际叶片。弦长从叶根处3.5米逐渐减小到叶尖处不到5mm的厚度。
集成到叶片设计中的是防雷系统，在这种情况下，内部的下导体与尖端接收器。叶尖受体位于距叶尖2.5米(距叶根37.5米)的位置，其余两个受体沿叶长均匀放置。叶尖受体通常离叶尖很近，但由于FEA软件的啮合困难，叶尖的位置被进一步改变。这些感受器直径为10mm，连接到中空叶片内部的下行导体上。下导体的直径设置为10mm。下导体和受体由铜构成
风力涡轮机塔和机舱是导电的，并设置到地面电位。从塔底到轮毂中心的高度约为70米(图8)，机舱长6米，宽4.5米，高6米。风的仪器被放置在机舱的后部。风向标上的风管装置用避雷针防止雷击。保护管乐器的避雷针末端为半径为0.02m的半球形尖端。
c .闪电连接模型
在向上和向下传播的闪电中，风力涡轮机向上传播的引线的形成对于确定结构上被击中的位置都是至关重要的。对于向下传播的闪电，向下台阶的引线在风力涡轮机周围的空气中提供了一个不均匀的电场。这种高电场，当风力发电机防雷系统的元件加强时，将允许在满足特定条件下形成向上传播的引线。
对于向上传播的闪电，形成向上传播引线的机制几乎是相同的，但在这种情况下，空气中的电场几乎是均匀的，是由云产生的，而不是由阶梯式引线产生的。
这意味着在考虑向上导向器的形成时，不再考虑阶跃导向器位置的强烈影响，很可能由风力机结构本身的几何形状决定形成的可能性。
要进一步考虑这个问题，重要的是要考虑先导传播的必要条件。这些条件如下，并已在其他有关向上/向下闪电的论文中使用(即使这些条件是从Frankin rods的实验室实验中推导出来的)[19]
条件(i):通过产生一个3MV/m的电场，在物体的顶端产生流光放电
条件(ii):临界背景场的可用性(临界背景场的大小取决于结构的高度)
式(1)用于确定leader传播所需的背景场。根据
[16] (Lalande理论的简化理论)，对于leader的稳定传播，大气电场Eatm必须大于leader Estab稳定传播所需的最小值，该最小值由下式给出<!--
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