CN106089601A - 一种考虑叶片转动的风机接闪性能测试方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种考虑叶片转动的风机接闪性能测试方法及装置。该方法包括静止和旋转叶片接闪性能测试两方面，能够对风机叶片的接闪性能进行全面的测试。本发明的优点在于克服了现有叶片雷电接闪性能测试中仅考虑叶片静止状态的局限性，更准确模拟了实际风机运行条件下叶片的接闪情况，对提高实际风电机组雷电保护的接闪性能具有参考价值。

Description

一种考虑叶片转动的风机接闪性能测试方法及装置
技术领域
本发明涉及高电压技术领域，尤其是涉及一种考虑叶片转动的风机接闪性能测试方法及装置。
背景技术
进入新世纪以来，新能源技术在发电领域中所占的比例日益加重，风力发电作为新能源发电的重要组成部分，其发展速度十分惊人，风电机组的装机容量不断增大，风力发电机组的尺寸不断增加，风机叶片的长度已经增加到了80m，甚至更长。
风力发电机组的叶片尺寸增大，大大提高了风机遭受雷击的概率。根据相关统计，95％以上的风机雷击事故中雷击部位在风机叶片上，因雷电造成的风机停机事故率在15％左右。而一旦风机叶片被雷击损坏，所需维修费用非常高昂，且会对风电机组发电量造成极大影响。因此有必要对风电机组叶片的接闪性能进行测试，寻找降低风机叶片乃至风电机组被雷击可能性的有效方法。
现有的风电机组叶片的接闪性能测试方法，只在静止条件下对风机叶片的接闪性能进行试验，来确定雷击接闪通道，评估雷击防护性能等，并未考虑风机的实际运行状态。然而风电机组在遭受雷击的过程中风机叶片常处于旋转状态，风电机组叶片遭受雷击的过程相比静止时更加复杂，现有的风机叶片接闪性能测试方法并不能完全模拟实际风机遭受雷击时的接闪情况，试验存在着局限性，其试验结果的参考价值有限。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的风机叶片接闪性能测试方法的局限性的技术问题；提供了一种更准确模拟实际风机运行条件下的接闪情况的一种考虑叶片转动的风机接闪性能测试方法及装置。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种考虑叶片转动的风机接闪性能测试方法，在叶片静止时和旋转时接闪性能测试步骤，其中：
在叶片静止时，先选取试验电压的波形，采用升降法重复接闪放电试验，统计平均击穿电压U50％和标准偏差电压σ0，计算保证击穿电压U100％，再在高压电极上施加U100％，进行多次放电试验；然后调整工况再进行上述过程，观测不同工况下施加U100％后的接闪每次放电路径，统计施加U100％试验中的风机接闪点位置，分析静止时风机叶片的接闪性能；
在叶片旋转时，采用变频器使风机模型叶片以所需转速旋转，采用升降法重复接闪放电试验，统计平均击穿电压U50％和标准偏差电压σ0，计算保证击穿电压U100％，再在高压电极上施加U100％，进行多次放电试验；然后调整风机转速再进行上述过程，观测不同转速下施加U100％后的接闪每次放电路径，统计施加U100％试验中的风机接闪点位置，分析旋转时风机叶片的接闪性能。
在上述的一种考虑叶片转动的风机接闪性能测试方法，在叶片静止时，测试风机叶片的接闪性能的具体方法包括：
步骤1，选取试验电压的波形，波形选取负极性操作冲击电压；
步骤2，断开空气开关，关闭变频器，保证风机模型叶片静止；将风机任意一个叶片状态调整为竖直向上，即叶片与竖直方向夹角为0°；
步骤3，采用升降法重复接闪放电试验，有效放电次数不少于20次；
步骤4，用示波器采集每一次放电电压波形，统计平均击穿电压U50％和标准偏差电压σ0；
步骤5，根据平均击穿电压U50％和标准偏差电压σ0，计算保证击穿电压U100％，其中U100％＝U50％+2.5σ0；
步骤6，在高压电极上施加保证击穿电压U100％，进行接闪放电试验，有效放电次数不少于40次，用相机观测每次放电路径和风机接闪点位置；
步骤7，调整工况，即改变叶片角度，取正面顺时针方向为正，使其与竖直方向的夹角分别为30°，60°，每次调整后重复步骤3至步骤6；
步骤8，根据各种工况下施加U100％时的接闪放电试验中风机接闪点位置的统计结果，分析评判风机叶片静止时的接闪性能；各工况下风机接闪性能的评判标准如下：定义施加U100％时击中风机叶片接闪器的概率为P,若P＝100％，则该工况下此风机的接闪性能为优秀；若96％≤P＜100％,则该工况下此风机的接闪性能为良好；若90％≤P＜96％,则该工况下此风机的接闪性能为合格；若P＜90％，则该工况下此风机的接闪性能为不合格。
在上述的一种考虑叶片转动的风机接闪性能测试方法，在叶片旋转时，测试风机叶片的接闪性能的具体方法包括：
步骤1，合上空气开关，为变频器供电，为风机模型调速做准备；
步骤2，计算风机模型的转速，使风机模型叶尖线速度与实际风机叶尖线速度一致，用以模拟风机额定转速状态下的运行情况；风机模型叶片转速n(r/min)计算公式为其中v(m/s)是实际风机额定运行状态下叶尖线速度，l(m)是缩比风机叶片长度；
步骤3，设定变频器输出的PWM波的频率f(Hz)，频率f的计算公式为
步骤4，按下变频器输出开关，使风机模型叶片以所需转速旋转；
步骤5，采用升降法重复接闪放电试验，有效放电次数不少于20次；
步骤6，用示波器采集每一次放电电压波形，统计平均击穿电压U50％和标准偏差电压σ0；
步骤7，根据平均击穿电压U50％和标准偏差电压σ0，计算保证击穿电压U100％，其中U100％＝U50％+2.5σ0；
步骤8，在高压电极上施加保证击穿电压U100％，进行接闪放电试验，有效放电次数不少于40次，用相机观测每次放电路径和风机接闪点位置；
步骤9，改变变频器输出频率使风机模型叶片转速为原来的一半，模拟实际风机处于亚同步发电状态下的叶尖线速度，重复步骤4至步骤8；
步骤10，根据各种转速下施加U100％时的接闪放电试验中风机接闪点位置的统计结果，分析评判风机叶片旋转时的接闪性能；各转速下风机接闪性能的评判标准如下：定义施加U100％时击中风机叶片接闪器的概率为P,若P＝100％，则该转速下此风机的接闪性能为优秀；若96％≤P＜100％,则该转速下此风机的接闪性能为良好；若90％≤P＜96％,则该转速下此风机的接闪性能为合格；若P＜90％，则该转速下此风机的接闪性能为不合格。
一种考虑叶片转动的缩比风机接闪放电测试装置，包括试验主回路，动力传动系统和观测系统；
所述试验主回路包括冲击电压发生器、弧形电极、风机模型；弧形电极放置于风机模型正上方，冲击电压发生器和弧形电极通过高压引线相连；
动力传动系统包括三相电源、空气开关、浪涌保护器、金属屏蔽箱、变频器、三相屏蔽线、异步电动机、电动机平台、皮带；三相电源经过空气开关后接至变频器输入端，变频器输出端经三相屏蔽线连接至异步电动机输入端；异步电动机放置于安装在风机塔筒上的电动机平台中，异步电动机带动风机叶片转动；变频器放置于金属屏蔽箱中，变频器输入端并联浪涌保护器；
观测系统包括分压器、示波器、相机；分压器与冲击电压发生器并联，输出端通过同轴电缆与示波器相连；相机放置于风机正前方，用于观测风机接闪放电的放电路径。
在上述的一种考虑叶片转动的缩比风机接闪放电测试装置，弧形电极采用空心钢管为材料，电极半径为叶片长度与放电间隙长度之和，弧度为140°，边缘处设置反向的曲面，反向弧面的角度为100°，半径为0.5m，用以保证叶片旋转时与高压电极的距离保持一致。
在上述的一种考虑叶片转动的缩比风机接闪放电测试装置，异步电动机转轴处安装主动轮，风机叶片转轴处安装从动轮，转速比为1:1；主动轮与从动轮通过皮带相连，保证异步电动机与风机模型之间绝缘。
因此，本发明具有如下优点：克服了现有风机叶片接闪性能测试方法的局限性，更准确模拟了实际风机运行条件下的接闪情况，对提高实际风电机组的雷电保护的接闪性能具有参考价值。
附图说明
图1是本发明中考虑叶片转动的风机接闪性能试验平台设计图。
图2a是本发明中静止状态不同工况下叶片位置示意图(夹角为60°)。
图2b是本发明中静止状态不同工况下叶片位置示意图(夹角为30°)
图2c是本发明中静止状态不同工况下叶片位置示意图(夹角为0°)
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
一、本发明提供一种考虑叶片转动的风机叶片接闪性能测试装置，如图1所示，图中1是冲击电压发生器，2是分压器，3是弧形电极，4是风机模型，5是相机，6是示波器。7是电动机平台，8是皮带，9是异步电动机，10是三相屏蔽线，11是变频器，12是金属屏蔽箱，13是浪涌保护器，14是空气开关，15是三相电源。放电间隙长度不小于1m，弧形电极角度140°，电极半径等于叶片长度与间隙长度相加，边缘处设置反向的曲面，反向曲面的角度为100°，半径为0.5m。风机模型4放置在弧形电极3正下方，风机塔筒接地。三相电源15经过空气开关14后接至变频器11输入端，变频器11输出端经三相屏蔽线10连接至异步电动机9输入端。异步电动机9放置于安装在风机塔筒上的电动机平台7中，通过皮带8风机叶片转动。变频器放置于金属屏蔽箱12中，在变频器输入端11并联浪涌保护器13。
二、本发明提供一种考虑叶片转动的风机叶片接闪性能测试方法，包括静止叶片接闪性能测试方法和旋转叶片接闪性能测试方法。
其中，静止叶片接闪性能测试方法包括如下步骤：
(1)选取试验电压的波形，波形选取负极性操作冲击电压(-250/2500μs)。
(2)断开空气开关14，关闭变频器11，保证风机模型4叶片静止。将风机模型4任意一个叶片状态调整为竖直向上，即叶片与竖直方向夹角为0°。
(3)采用升降法重复接闪放电试验，有效放电次数不少于20次。
(4)用示波器6采集每一次放电电压波形，用相机5观测接闪每次放电路径。
(5)调整工况，即改变叶片角度，取正面顺时针方向为正，使其与竖直方向的夹角分别为30°，60°，每次调整后重复步骤(4)至步骤(5)。
(6)计算每一种工况的有效放电试验的平均击穿电压U50％与击穿时间Tf，统计分析接闪放电路径的规律，根据平均击穿电压、击穿时间、上行先导起始位置和先导连接位置的区别，得到静止风机叶片的接闪性能。
旋转的叶片接闪性能测试方法包括如下步骤：
(1)合上空气开关14，为变频器11供电，为风机模型4调速做准备。
(2)计算风机模型4的转速，使风机模型4叶尖线速度与实际风机叶尖线速度一致，用以模拟风机额定转速状态下的运行情况。风机模型4叶片转速n(r/min)计算公式为其中v(m/s)是实际风机额定运行状态下叶尖线速度，l(m)是缩比风机叶片长度。
(3)设定变频器11输出的PWM波的频率f(Hz)，频率f的计算公式为
(4)按下变频器11输出开关，使风机模型4叶片以所需转速旋转。
(5)采用升降法重复接闪放电试验，有效放电次数不少于20次。
(6)用示波器6采集每一次放电电压波形，用相机5观测接闪每次放电路径。
(7)改变变频器11输出频率使风机模型4叶片转速为原来的一半，模拟实际风机处于亚同步发电状态下的叶尖线速度，重复步骤(4)至步骤(6)。
(8)计算每种转速下的有效放电试验的平均击穿电压U50％与击穿时间Tf，统计分析接闪放电路径的规律，与静止时的结果比较，根据平均击穿电压、击穿时间、上行先导起始位置和先导连接位置的区别，得到风机叶片的接闪性能。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种考虑叶片转动的风机接闪性能测试方法，其特征在于，在叶片静止时和旋转时接闪性能测试步骤，其中：
在叶片静止时，先选取试验电压的波形，采用升降法重复接闪放电试验，统计平均击穿电压U50％和标准偏差电压σ0，计算保证击穿电压U100％，再在高压电极上施加U100％，进行多次放电试验；然后调整工况再进行上述过程，观测不同工况下施加U100％后的接闪每次放电路径，统计施加U100％试验中的风机接闪点位置，分析静止时风机叶片的接闪性能；
在叶片旋转时，采用变频器使风机模型叶片以所需转速旋转，采用升降法重复接闪放电试验，统计平均击穿电压U50％和标准偏差电压σ0，计算保证击穿电压U100％，再在高压电极上施加U100％，进行多次放电试验；然后调整风机转速再进行上述过程，观测不同转速下施加U100％后的接闪每次放电路径，统计施加U100％试验中的风机接闪点位置，分析旋转时风机叶片的接闪性能。
2.根据权利要求1所述的一种考虑叶片转动的风机接闪性能测试方法，其特征在于，在叶片静止时，测试风机叶片的接闪性能的具体方法包括：
步骤1，选取试验电压的波形，波形选取负极性操作冲击电压；
步骤2，断开空气开关，关闭变频器，保证风机模型叶片静止；将风机任意一个叶片状态调整为竖直向上，即叶片与竖直方向夹角为0°；
步骤3，采用升降法重复接闪放电试验，有效放电次数不少于20次；
步骤4，用示波器采集每一次放电电压波形，统计平均击穿电压U50％和标准偏差电压σ0；
步骤5，根据平均击穿电压U50％和标准偏差电压σ0，计算保证击穿电压U100％，其中U100％＝U50％+2.5σ0；
步骤6，在高压电极上施加保证击穿电压U100％，进行接闪放电试验，有效放电次数不少于40次，用相机观测每次放电路径和风机接闪点位置；
步骤7，调整工况，即改变叶片角度，取正面顺时针方向为正，使其与竖直方向的夹角分别为30°，60°，每次调整后重复步骤3至步骤6；
步骤8，根据各种工况下施加U100％时的接闪放电试验中风机接闪点位置的统计结果，分析评判风机叶片静止时的接闪性能；各工况下风机接闪性能的评判标准如下：定义施加U100％时击中风机叶片接闪器的概率为P,若P＝100％，则该工况下此风机的接闪性能为优秀；若96％≤P＜100％,则该工况下此风机的接闪性能为良好；若90％≤P＜96％,则该工况下此风机的接闪性能为合格；若P＜90％，则该工况下此风机的接闪性能为不合格。
3.根据权利要求1所述的一种考虑叶片转动的风机接闪性能测试方法，其特征在于，在叶片旋转时，测试风机叶片的接闪性能的具体方法包括：
步骤1，合上空气开关，为变频器供电，为风机模型调速做准备；
步骤2，计算风机模型的转速，使风机模型叶尖线速度与实际风机叶尖线速度一致，用以模拟风机额定转速状态下的运行情况；风机模型叶片转速n(r/min)计算公式为其中v(m/s)是实际风机额定运行状态下叶尖线速度，l(m)是缩比风机叶片长度；
步骤3，设定变频器输出的PWM波的频率f(Hz)，频率f的计算公式为
步骤4，按下变频器输出开关，使风机模型叶片以所需转速旋转；
步骤5，采用升降法重复接闪放电试验，有效放电次数不少于20次；
步骤6，用示波器采集每一次放电电压波形，统计平均击穿电压U50％和标准偏差电压σ0；
步骤7，根据平均击穿电压U50％和标准偏差电压σ0，计算保证击穿电压U100％，其中U100％＝U50％+2.5σ0；
步骤8，在高压电极上施加保证击穿电压U100％，进行接闪放电试验，有效放电次数不少于40次，用相机观测每次放电路径和风机接闪点位置；
步骤9，改变变频器输出频率使风机模型叶片转速为原来的一半，模拟实际风机处于亚同步发电状态下的叶尖线速度，重复步骤4至步骤8；
步骤10，根据各种转速下施加U100％时的接闪放电试验中风机接闪点位置的统计结果，分析评判风机叶片旋转时的接闪性能；各转速下风机接闪性能的评判标准如下：定义施加U100％时击中风机叶片接闪器的概率为P,若P＝100％，则该转速下此风机的接闪性能为优秀；若96％≤P＜100％,则该转速下此风机的接闪性能为良好；若90％≤P＜96％,则该转速下此风机的接闪性能为合格；若P＜90％，则该转速下此风机的接闪性能为不合格。
4.一种考虑叶片转动的缩比风机接闪放电测试装置，其特征在于，包括试验主回路，动力传动系统和观测系统；
所述试验主回路包括冲击电压发生器、弧形电极、风机模型；弧形电极放置于风机模型正上方，冲击电压发生器和弧形电极通过高压引线相连；
动力传动系统包括三相电源、空气开关、浪涌保护器、金属屏蔽箱、变频器、三相屏蔽线、异步电动机、电动机平台、皮带；三相电源经过空气开关后接至变频器输入端，变频器输出端经三相屏蔽线连接至异步电动机输入端；异步电动机放置于安装在风机塔筒上的电动机平台中，异步电动机带动风机叶片转动；变频器放置于金属屏蔽箱中，变频器输入端并联浪涌保护器；
观测系统包括分压器、示波器、相机；分压器与冲击电压发生器并联，输出端通过同轴电缆与示波器相连；相机放置于风机正前方，用于观测风机接闪放电的放电路径。
5.根据权利要求4所述的一种考虑叶片转动的缩比风机接闪放电测试装置，其特征在于，弧形电极采用空心钢管为材料，电极半径为叶片长度与放电间隙长度之和，弧度为140°，边缘处设置反向的曲面，反向弧面的角度为100°，半径为0.5m，用以保证叶片旋转时与高压电极的距离保持一致。
6.根据权利要求5所述的一种考虑叶片转动的缩比风机接闪放电测试装置，其特征在于，异步电动机转轴处安装主动轮，风机叶片转轴处安装从动轮，转速比为1:1；主动轮与从动轮通过皮带相连，保证异步电动机与风机模型之间绝缘。
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