CN110147634B - 一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，先在ATP/EMTP仿真软件中建立风电系统的电路模型，通过改进结构模拟，将叶片塔筒的电路计算模拟出来，然后在验证电路设计合理性的前提下，进行实验的模拟以完成此发明的验证。本发明根据现有情况，对叶片进行了改进，提出一种更加可行的防护方案，并在叶片上安装了实施，从而优化了叶片的防雷保护，节约了损坏造成的维护成本，使风机运行更加安全可靠。

Description

一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法

技术领域

本发明属于雷电过电压防护技术领域，涉及一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法。

背景技术

风力发电可把清洁可再生的风能转为电能，已成为多个国家能源发展战略结构的重要组成部分。风机是将风能有效转化为电能的主要装置，各个国家的装机总量发展迅猛。雷电是造成风机故障的主要原因之一，风机的叶片材质大多为碳纤维或者玻璃纤维碳等增强塑料材质，导电性能较差，当叶片在遭受雷击时，雷电电流通过叶片内部，然后进入轮毂、机舱和塔架，最后进入地面。随着雷电巨大能量的释放，过大的雷电流会沿着叶片向塔筒及其他设备传播，使得叶片上的雷电流急剧升高，在这个过程中会产生过电压和过电流，造成设备损坏，甚至威胁到风电场中的其他机组。因为叶片中电阻、电感、电压等元件的存在，风力发电机风机叶片内空气高温膨胀导致壳体内部压力的上升，产生热效应等，最终出现冲击波对风机叶片造成机械损坏，雷电流沿风机叶片传导时还会形成高温电弧，高温电弧将会引起风机叶片壳体材料的燃烧，严重时可能使叶片发生断裂。

为了保护风机叶片免受雷击危害，主要有两种方法：一种是在风机叶片尖端固定一个金属装置作为接闪器，雷击接闪器后，接闪器通过引下线将雷电流传输到风机叶片根部；另一种是在风机叶片表面添加导电材料，减小对雷击点的损坏。接闪器是目前对叶片进行防雷保护的最常用的外加保护措施，但叶片上接闪器安装方式不明确、安装数量位置不确定，采取的防护方法不够多样，所以叶片遭受雷击事故依然多次发生。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，解决了现有技术中存在的风机叶片上接闪器安装方式不明确、安装数量位置不确定问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，包括以下步骤：

步骤1、在ATP/EMTP仿真软件建立风机模型，对叶片结构进行计算模拟；

步骤2、采用机舱、塔体分段结构，建立风电机组雷电瞬态过程的模型；

步骤3、由步骤2所得仿真计算结果，研究叶片雷击点不同的雷电暂态电位分布影响，分析研究差异进行比较；

步骤4、依据电位分布对叶片的防雷保护提出措施，即在对叶片进行接闪器布置的时候，将接闪器大范围的安装在叶片的顶端，并且增加数量的安装，吸引雷电，尽可能少的使雷电击中叶片中部及以下其他位置，使得对叶片的损害最少，并采用实验验证措施的合理性。

本发明的特点还在于，

步骤1具体包括以下步骤：

步骤1.1，选择合适的雷电流，建立雷电流模型，反映雷电的特性；

步骤1.2，建立叶片模型，将风机叶片看作一个截面积为等效导体面积的长直导体，将风机叶片所等效的导体划分为若干段，每段的长度不超过雷电流所包含最大频率对应的最小波长的1/10，划分后的每一段导体用π型电路单元来表示，这样风机叶片等效为一系列π型等值电路的串联，计算得出叶片的电容、电感、电阻参数。

步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1，建立机舱模型，在主轴前段设置一条与其并行的低阻导流通道，该通道由铜质电刷和导体滑环组成，这样就在机组的雷电流传输路径上形成了一个由轴承和电刷形成的滑动接触部位，在传导雷电流时，雷电流在通过主轴承时会发生油膜放电，轴承会出现明显容性特征，其暂态特性用其滚子与内、外轴承圈之间的电容来表示，电刷与导体滑环运行过程中，采用集中的接触电阻等效，该电阻值在运行过程中保持稳定，滑动接触部位可近似等效为电容与电阻的并联体，可由现有的实验数据来估算电容；

步骤2.2，建立塔筒模型，采用圆台式的管状结构对风机塔筒模型进行等效模拟，在等效计算时，将塔筒划分为若干个分支导体，然后再对导体的每一块做电路等效处理，把划分后的每一块导体看做一个小圆柱体；将塔筒沿水平方向平均分成若干段，然后在竖直方向将塔体等长度分割，设雷电流源波形公式为：

I(t)＝AI_m(e^-αt-e^-βt) (1)

对其进行傅里叶变换，则

为了确定分段长度，需求出上式中的上限截止频率，但上式中实际上求不出上限截止频奉，这是因为只有ω→∞时才会有的|I(ω)|→0；为此，可按下式中来确定一个上限频率ω_e：

20lg[|I(ω)|/I_m]≈-(160-200)dB (3)

当频率高于ω_e时，谐波分量对雷电瞬态的贡献很小，可忽略不计；根据上限频率ω_e能够估算出频率范围内的最高次谐波所对应的波长， c为光速：

塔体剖分后，然后将网格划分后塔体的每一块导体再进行等效处理，即把每一块导体等效成具有一定半径的圆柱形导体，其中导体的半径可以按公式

来处理，公式中为a塔体的平均厚度；于是就将塔体的模型等效成了具有一定半径的圆柱导体相连的连续的“圆台筒状结构”；

步骤2.3，建立三相电缆模型，利用ATP/EMTP中的LINEPI_3 模型模拟风电机中的电缆，得到更加符合实际的雷电暂态效果，建立与频率相关的电缆线路模型；

步骤2.4，建立发电机与变压器模型，风力发电机包括1台定子绕组与三相电网直连的异步发电机，以及连接发电机转子和定子输出端的变频器，采用ATP/EMTP中的UM1同步电机模型进行等效，变压器采用ATP/EMTP中SatTrafo模型来等效风力发电机组升压变压器。

步骤1.1中建立电流模时，在ATP/EMTP仿真中，采用霍德勒雷电流数学模型，其函数表达式如下：

式(5)中，k为波形峰值修正因子；t₁，t₂分别为波头时间和波尾时闻；n为与雷电流波前陡度有关的参数，函数通过调节参数得到雷电流的特征，对于10/350μs的雷电流波形取n＝10。

步骤1.2中建立叶片模型时，C、L、R分别为电容、电感、电阻参数；

每分段导体的电容均可以按照平均电位法进行求解，选择风电机组叶片中引下线上的其中一段导体所对应的上下两端点数值坐标为 z_in，可计算得到其电容为：

式(6)中，

风电机组叶片的引下线中任意取一段导体j的阻抗，根据诺依曼积分公式求解，式中，l为叶片长度，r为叶片半径，ρ为电阻率，ε表示真空介电常数，μ₀为真空磁导率：

步骤2.1中建立机舱模型时，从轴承系统的电场方程入手，通过对电位的近似求解，其结果可由式10、11计算。

式(10)中，ε是润滑油的介电常数；l为主轴承的长度；式(11) 中，D为主轴承环轴线到滚子轴线的距离；R₁为滚子半径；R₂为轴承环的半径。

步骤2.2中建立塔筒模型时，从雷电流源的波形频谱分析加以入手，设雷电流源波形公式为：

I(t)＝AI_m(e^-αt-e^-βt) (12)

对其进行傅里叶变换，则

为了确定分段长度，需求出上式中的上限截止频率，但上式中实际上求不出上限截止频奉，这是因为只有ω→∞时才会有的|I(ω)|→0；为此，可按下式中来确定一个上限频率ω_e：

20lg[|I(ω)|/I_m]≈-(160-200)dB (14)

认为当频率高于ω_e时，谐波分量对雷电瞬态的贡献已经很小，可忽略不计，根据所选定的上限频率ω_e能够估算出所考虑频率范围内的最高次谐波所对应的波长，c为光速：

因此，在实际计算中进行网格划分时，通常分段长度应小于雷电流频谱中最大频率所对应最小波长的来处理，分段导体的长度小于雷电流波长。

塔体剖分后，然后将网格划分后塔体的每一块导体再进行等效处理，即把每一块导体等效成具有一定半径的圆柱形导体，其中导体的半径可以按公式

来处理，公式中为a塔体的平均厚度，就将塔体的模型，等效成具有一定半径的圆柱导体相连的连续的“圆台筒状结构”。

步骤2.3中，建立与频率相关的三相电缆模型，利用ATP/EMTP 中的LINEPI_3模型模拟风电机中的电缆；

屏蔽层电感约为0.2mH/km，芯线单位长度电感可通过式(16) 得到，

式(16)中，μ₀为真空磁导率；r₁为芯线的内内径；r₂芯线的外径；

风电机组内的分布电容主要包括了塔体与屏蔽层之间电容C₀，芯线与屏蔽层之间电容C₁，以及相电缆芯线间的电容C₂，因为塔体的半径比电缆大很多，在求取塔简与传输线间的分布电容时可将塔体作平面处理，可通过式(17)计算:

式(17)中，r为每段塔体的平均半位；r₃为电维外半；d₁₂为塔体与电缆之间的距离，雷电过电压下三相电缆屏蔽层与电锥芯线，电缆芯线与屏蔽层之间的电容大可以分别由式决定：

式(18)为绝缘材料的相对介电常数，乙丙橡胶的相对介电常数分布在6-7之间；D₂₃为芯线与屏蔽层之间的距离；

式(19)中，S为单芯电缆中心之间的距离，将电缆计算所得相对应的R、L、C参数输入LINEPI_3器件中，进行仿真。

步骤2.4中建立发电机与变压器模型时，架空线的单位长度电感和单位长度的电容可通过下列公式计算：

式中，h为架空线对地髙度；a为架空线半径。

本发明的有益效果是，一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，提出一种在外部防护措施，即在叶片的外部加装接闪器，最大程度保护叶片的雷电防护方法，利用接闪器对叶片进行防雷保护，在对叶片进行接闪器布置的时候，将接闪器大范围的安装在叶片顶端，并增加安装的数量，吸引雷电，尽可能少的使雷电击中叶片中部及以下其他位置，使得对叶片的损害最少。从初始电路仿真到包含叶片与塔筒的完整结构的电路模型，能更加准确模拟雷电击中叶片后的一系列雷电过电压反应；用不同雷电幅值对叶片不同位置进行过电压模拟，更详细的分析雷电过电压的差异与变化，加快分析的准确性；本发明的方法具有可行性高、施加方便、高效的优点。

附图说明

图1是本发明机舱模型中主轴承与电刷等值电路模型；

图2是本发明三相电缆截面图；

图3是本发明变压器模型图；

图4是本发明的实施例中60kA雷击于叶片顶端感应过电压波形；

图5是本发明的实施例中60kA雷击于叶片中部感应过电压波形；

图6是本发明的实施例中25kA雷击于叶片顶端感应过电压波形；

图7是本发明的实施例中25kA雷击于叶片中部感应过电压波形；

图8是本发明的实施例中雷电过电压波形比较图；

图9是本发明的叶片顶部加装接闪器后60kA雷电击中叶片顶端的感应过电压波形；

图10是本发明的叶片中部加装接闪器后60kA雷电击中叶片顶端的感应过电压波形；

图11是本发明的叶片的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，包括以下步骤：

步骤1、在ATP/EMTP仿真软件建立风电机组电路模型，对叶片结构进行计算模拟；

步骤1.1，选择合适的雷电流，建立雷电流模型，反映雷电的特性；

步骤1.2，建立叶片模型，将风机叶片看作一个截面积为等效导体面积的长直导体，将风机叶片所等效的导体划分为若干段，每段的长度不超过雷电流所包含最大频率对应的最小波长的1/10，划分后的每一段导体用π型电路单元来表示，这样风机叶片等效为一系列π型等值电路的串联，计算得出叶片的电容、电感、电阻参数。

步骤2、采用机舱、塔体分段结构，建立风电机组雷电瞬态过程的模型；

步骤2.1，建立机舱模型，在主轴前段设置一条与其并行的低阻导流通道，该通道由铜质电刷和导体滑环组成，这样就在机组的雷电流传输路径上形成了一个由轴承和电刷形成的滑动接触部位，在传导雷电流时，雷电流在通过主轴承时会发生油膜放电，轴承会出现明显容性特征，其暂态特性用其滚子与内、外轴承圈之间的电容来表示，电刷与导体滑环运行过程中，采用集中的接触电阻等效，该电阻值在运行过程中保持稳定，滑动接触部位可近似等效为电容与电阻的并联体，可由现有的实验数据来估算电容；

步骤2.2，建立塔筒模型，采用圆台式的管状结构对风机塔筒模型进行等效模拟，在等效计算时，将塔筒划分为若干个分支导体，然后再对导体的每一块做电路等效处理，把划分后的每一块导体看做一个小圆柱体；将塔筒沿水平方向平均分成若干段，然后在竖直方向将塔体等长度分割，设雷电流源波形公式为：

I(t)＝AI_m(e^-αt-e^-βt) (1)

对其进行傅里叶变换，则

为了确定分段长度，需求出上式中的上限截止频率，但上式中实际上求不出上限截止频奉，这是因为只有ω→∞时才会有的|I(ω)|→0。为此，可按下式中来确定一个上限频率ω_e：

20lg[|I(ω)|/I_m]≈-(160-200)dB (3)

当频率高于ω_e时，谐波分量对雷电瞬态的贡献很小，可忽略不计。

根据上限频率ω_e能够估算出频率范围内的最高次谐波所对应的波长 (c为光速)：

塔体剖分后，然后将网格划分后塔体的每一块导体再进行等效处理，即把每一块导体等效成具有一定半径的圆柱形导体，其中导体的半径可以按公式

来处理，公式中为a塔体的平均厚度，于是就将塔体的模型等效成了具有一定半径的圆柱导体相连的连续的“圆台筒状结构”；

步骤2.3，建立三相电缆模型，利用ATP/EMTP中的LINEPI_3 模型模拟风电机中的电缆，得到更加符合实际的雷电暂态效果，建立与频率相关的电缆线路模型。

步骤2.4，建立发电机与变压器模型，风力发电机包括1台定子绕组与三相电网直连的异步发电机，以及连接发电机转子和定子输出端的变频器，采用ATP/EMTP中的UM1同步电机模型进行等效，变压器采用ATP/EMTP中SatTrafo模型来等效风力发电机组升压变压器；

如图1所示，ATP/EMTP仿真软件中搭建的风电机组电路模型， ATP/EMTP作为EMTP中使用最为普遍的一个版本，是目前应用于电磁暂态分析领域中较为广泛的一款仿真软件。EMTP的基本功能是对电力系统进行仿真计算，求解电力系统单相或多相的稳态解与各种类型的暂态解。最为典型应用就是预测电力系统在某个扰动作用以后某些变量随时间变化的规律情况。

对叶片雷电暂态过程进行研究，其具体步骤如下：

在步骤1.1中雷电对大地放电是一个包括先导、回击、后续回击的复杂过程，为了能够准确描述雷电过程，建立一个雷电流模型，反映雷电的特性。通过叶片的雷电过电压变化，先根据某一地区的雷电特性，对雷电引起的雷电电流瞬变特性进行了仿真分析，然后分析雷电对叶片边缘其他点的影响，分析了雷电对叶片除叶尖外其余注入点的影响，并对整个雷电传导过程进行分析比较，研究了所得雷电的差异。在防雷系统中根据不同的情况，雷电流的三个参数是不相同的。根据国际电工委员会和我国标准(GB50057-2010)，风电机组雷电防护设计采用10/350μs雷电流波形。

目前国际上常用的雷电流等值波形有3种：双指数函数波、脉冲函数波形以及霍德勒波形。

霍德勒模型波头时间比其余函数更加贴近设计，标准规定采用的雷电流的波头时间10μs，在实际情况中，雷电流波形在t＝0时，导数为0，而双指数函数模型在t＝0时导数最大，与实际情况中雷电流波形的性质不相符。在ATP/EMTP仿真中，本发明采用霍德勒雷电流数学模型。

国际电工委员会在IEC61312文件中推荐使用霍德勒模型，其函数表达式如下：

式(5)中，k为波形峰值修正因子；t₁，t₂分别为波头时间和波尾时闻；n为与雷电流波前陡度有关的参数。该函数可以通过调节参数得到雷电流的特征，对于10/350μs的雷电流波形取n＝10。

步骤1.2根据风机叶片的结构特点，建立叶片模型，由于其截面等效半径远远小于其长度，把风机叶片看作一个截面积为等效导体面积的长直导体，当雷电击中风机叶片时将雷电流引导至塔体。根据计算精度的要求在满足物理过程的条件下，将风机叶片所等效的导体划分为若干段。分段后每段的长度应不超过雷电流所包含的所有频率中最大频率所对应的最小波长的1/10，划分后的每一段导体可用π型电路单元来表示，这样风机叶片就等效为一系列π型等值电路的串联，如图11所示，其中C、L、R分别为电容、电感、电阻参数。

每分段导体的电容均可以按照平均电位法进行求解，选择风电机组叶片中引下线上的其中一段导体所对应的上下两端点数值坐标为 z_in，可计算得到其电容为：

式(6)中，

风电机组叶片的引下线中任意取一段导体j的阻抗，根据诺依曼积分公式求解，式中，l为叶片长度，r为叶片半径，ρ为电阻率，ε表示真空介电常数，μ₀为真空磁导率：

雷电过电压是一个振荡衰减过程，由于风电机组等值电路在雷电流频率范围内产生了自振，电感电容间产生能呈交换，同时电阻的阻尼作用使振荡得到了衰减。风力发电机风机叶片壳体本身是用电阻率非常商的材料制作而成，一般情况不易导电，但雷电击中风机叶片后，强大雷电流作用下会产生导电通路，由图4到图7结合可知，风机叶片壳体上的雷电暂态过电压幅值可高达数百kV，有的甚至MV级别。所以对风机叶片遭受雷击时的电压分布进行计算，可为风机叶片的防雷保护提供理论支持，降低雷电流对风机叶片的损害。

步骤2.1建立机舱模型时，风机叶片遭雷击后，雷电流经风机叶片引流传导进入机舱主轴。雷电流进入主轴后将会使轴承内的滚子和套圈受到损伤，为了防止轴承被雷电流损害通常在主轴前段设置一条与其并行的低阻导流通道，该通道由铜质电刷和导体滑环组成。这样就在机组的雷电流传输路径上形成了一个由轴承和电刷形成的滑动接触部位。

在传导雷电流时，雷电流在通过主轴承时会发生油膜放电，轴承会出现明显容性特征，因此其暂态特性可用其滚子与内、外轴承圈之间的电容来表示，且此电容一般不受转速和轴向力的影响。电刷与导体滑环运行过程中采用集中的接触电阻等效，该电阻值在运行过程中保持稳定，可由现有的实验数据来估算。因此该滑动接触部位可近似等效为电容与电阻的并联体，如图1所示。从轴承系统的电场方程入手，通过对电位的近似求解，其结果可由式10、11计算。

式(10)中，ε是润滑油的介电常数；l为主轴承的长度；式(11) 中，D为主轴承环轴线到滚子轴线的距离；R₁为滚子半径；R₂为轴承环的半径。

步骤2.2，建立塔筒模型时，随着风电机组单机容量的不断增大，风电机组塔筒的高度也变得很高，一般可达60-70米，有的高度可达上百米。大容量的风电机组的塔筒结构一般采用上小下大的圆台式管状结构。本发明对风机塔筒模型进行模拟等效时也采用这种圆台式的管状结构。

在等效计算时将对塔筒划分为若干个分支导体，然后再对导体的每一块做电路等效处理。把划分后的每一块导体看做一个小圆柱体其界面半径按

来处理，其中a塔筒的平均厚度。在对雷电流产生的影响进行计算和分析时网格划分导体的长度h值有一定的限制，一般要比雷电流最大频率所对应最小波长的十分之一要小。

当风电机组遭受直接雷击时，强大的雷电流将通过叶片、机舱、塔体，最后经过风电机组的接地装置，将雷电流最终泄流到大地。在此过程中，雷电流作为一个流动波在机组由上向下流动。根据雷电流流动的特性以及防雷系统中建立电路模型的计算方法，将风机塔筒按照网格结构进行划分，具体操作步骤为：

将塔体沿水平方向平均分成若干段，然后在竖直方向也将塔体等长度分割。其中塔体网格划分的情况对该模型的计算精度和计算量的多少有着直接的影响。如果网格划分的数目太少，势必造成计算的误差较大；而如果划分的数目太多，则会使得计算时间过长计算较为复杂。从雷电流源的波形频谱分析加以入手，设雷电流源波形公式为：

I(t)＝AI_m(e^-αt-e^-βt) (12)

对其进行傅里叶变换，则

为了确定分段长度，需求出上式中的上限截止频率，但上式中实际上求不出上限截止频奉，这是因为只有ω→∞时才会有的|I(ω)|→0。为此，可按下式中来确定一个上限频率ω_e：

20lg[|I(ω)|/I_m]≈-(160-200)dB (14)

认为当频率高于ω_e时，谐波分量对雷电瞬态的贡献已经很小，可忽略不计。根据所选定的上限频率ω_e能够估算出所考虑频率范围内的最高次谐波所对应的波长(c为光速)：

因此，在实际计算中进行网格划分时，通常分段长度应小于雷电流频谱中最大频率所对应最小波长的来处理，分段导体的长度小于雷电流波长。

塔体剖分后，然后将网格划分后塔体的每一块导体再进行等效处理，即把每一块导体等效成具有一定半径的圆柱形导体，其中导体的半径可以按公式

来处理，公式中为a塔体的平均厚度。于是就将塔体的模型，等效成具有一定半径的圆柱导体相连的连续的“圆台筒状结构”。

三相电缆横截面图，如图2所示，风机中的电缆主要由4个部分组成，最外层的绝缘层，中间的屏蔽层，内层的电缆芯线及电缆芯线与屏蔽层之间的绝缘填充。

当塔体上流过雷电流时，屏蔽层与芯线上都会感应出雷电过电压。当两者之间电位差过大有可能损坏绝缘。

风力发电用电缆采用软铜导线作为导体材料，乙丙橡胶或者硅橡胶作为绝缘材料，氯化聚乙烯、氯丁橡胶或氯磺化聚乙烯作为护套材料。雷电流的波前时间仅为几微秒，等值频率高，包含的频率十分丰富，为了得到更加符合实际的雷电暂态效果，在步骤2.3中，建立与频率相关的三相电缆模型，利用ATP/EMTP中的LINEPI_3模型模拟风电机中的电缆。

屏蔽层电感约为0.2mH/km，芯线单位长度电感可通过式(16) 得到，

式(16)中，μ₀为真空磁导率；r₁为芯线的内内径；r₂芯线的外径。

风电机组内的分布电容主要包括了塔体与屏蔽层之间电容C₀，芯线与屏蔽层之间电容C₁，以及相电缆芯线间的电容C₂。因为塔体的半径比电缆大很多，在求取塔简与传输线间的分布电容时可将塔体作平面处理。可通过式(17)计算:

式(17)中，r为每段塔体的平均半位；r₃为电维外半；d₁₂为塔体与电缆之间的距离。雷电过电压下三相电缆屏蔽层与电锥芯线，电缆芯线与屏蔽层之间的电容可以分别由式决定：

式(18)为绝缘材料的相对介电常数，乙丙橡胶的相对介电常数分布在6-7之间；D₂₃为芯线与屏蔽层之间的距离。

式(19)中，S为单芯电缆中心之间的距离。将电缆计算所得相对应的R、L、C参数输入LINEPI_3器件中，进行仿真。

在步骤2.4，建立发电机与变压器模型时，本发明实验模拟的风力发电机包括1台定子绕组与三相电网直连的异步发电机，以及连接发电机转子和定子输出端的变频器，此处直接采用ATP/EMTP中的 UM1同步电机模型进行等效；变压器采用ATP/EMTP中SatTrafo模型来等效风力发电机组升压变压器。此处的模拟中，风力发电机及变压器模型均不考虑磁饱和及铁芯损耗的影响。

风电场机组变压器为0.69/35kV，Y-△接线三相变压器，雷电波所包含的频率复杂，频率范围从0Hz到1MHz，传统的工频T型等效电路无法满足雷电暂态计算的需求。在雷电过电压的低频部分，雷电波通过绕组的变比关系传递过电压，即电磁耦合，绕组体现为电感特性。由于在变压器的绝缘设计中己考虑了此部分电皮降落，因此建模时不必考虑匝间的分布参数，只对绕组本身整体建模。依据绕组在雷电宽频率范围内的不同特性，本发明建立如图3所示的雷电暂态计算下的变压器模型。

机组变压器有时候会安装在塔体外面，因此线路需要延伸到塔体外部从而与变压器相连，而机组变压器侧出线后也连接升压变压器，这些架空线的单位长度电感和单位长度的电容可通过下列公式计算：

式中，h为架空线对地髙度；a为架空线半径。

步骤3，由步骤2所得仿真计算结果，研究叶片雷击点不同的雷电暂态电位分布影响，分析研究差异进行比较；步骤3、由步骤2所得仿真计算结果，研究叶片雷击点不同的雷电暂态电位分布影响，分析研究差异进行比较；

步骤4，依据电位分布对叶片的防雷保护提出措施，并采用实验验证措施的合理性，在对叶片进行接闪器布置的时候，可以考虑将接闪器大范围的安装在叶片的顶端，并且增加数量的安装，吸引雷电，尽可能少的使雷电击中叶片中部及以下其他位置，使得对叶片的损害最少。

当雷电流击中风力发电机组时，雷电流携带着巨大的能量从机组的叶片或机舱顶部的避雷装置，注入经引下线从塔筒导入接地装置，并最终散入大地。在这一过程中，雷电流在风机叶片和塔筒内流动，为了对其进行更加精确的计算，本发明在ATP/EMTP软件中搭建较为精准的风电机组的模型，把风机叶片看作一个横截面积相等的等效导体的长直导体，划分为若干段；由于风电机组塔筒的塔体是上面半径小、下面半径大的这种圆台式的结构，基于风电机组遭受雷击时，塔体上雷电流分布和塔体上的电压抬升情况，本发明采用风电机组雷电瞬态过程模型，就将塔体的模型等效成了具有一定半径的圆柱导体相连的连续的“圆台筒状结构”，即“塔体笼状结构”。

实施例

本发明设定发电机的容量为3MW，额定电压690V，风机叶片长度为40m，叶片为玻璃纤维材质的壳体结构，分别采用25kA和60kA 的2.6/50μs的雷电流，模拟雷击过程。

本发明选取单芯线截面积为150mm²的三相电缆作为研究对象，电缆平行塔筒设计，长度为80m。

图4和图5模拟的是60kA的雷电流，雷电产生的巨大电动势在击中叶片后，通过阻抗结构的叶片后，雷电会在叶片的中部和顶部产生明显不同大小的雷电过电压，击中叶片顶端后，中部和顶部产生的雷电过电压会相较于雷电流在叶片中部直接击中时，顶部以及中部所产生的雷电过电压对比小很多，约200kV左右。

取幅值为25kA的雷电流击中叶片的相同位置，在ATP/EMTP仿真软件中模拟雷电击中叶片的过程，研究其暂态过程。实验结果如下图6、图7所示。

在25kA的雷电流作用下，仿真模拟得出的雷电过电压波形图和前文模拟所得大致相同，在阻抗及雷电作用下发生一个短暂的振荡过程。图4、图6均模拟的是雷电击中叶片顶端时，叶片顶部和中部的电压变化图，可以清晰的看见，顶部和中部都发生了很明显的过电压现象，并且数值均大于雷电的幅值；图5、图7模拟的是雷电击中叶片中部时，叶片的顶部和中部的电压波形变化图，同样会在两个位置出现数值很大的雷电过电压。而且在数值上，高于雷电击中顶部后产生的雷电过电压大小，产生的巨大雷电过电压会对风机的叶片甚至其他部位造成不可逆转的损伤。

当对风机叶片不同部位施加不同肤质的雷电流后，观察叶片各部位的雷电过电压数据波形。将多组实验所得结果进行对比，做成图8 所示的柱状图，能够更加直观的反映出顶部和中部所产生的雷电过电压的数值大小情况。网格代表风机在幅值为25kA的雷电流下的波形图，波点代表在60kA下的雷电流实验波形图。柱形图直观的反映出在两个不同幅值下，雷电流在叶片顶部和中部等其他位置产生的雷电过电压大小，不同幅值的雷电击中叶片不同的位置时，产生的雷电过电压的变化，得出雷电击中叶片后，电流会顺着叶片从上往下流过，并在击中点产生很大的雷电过电压向其他部位延伸，在叶片顶部产生的雷电过电压数值会低于雷电击于其他位置时产生的过电压，所以在进行接闪器布置时候，应将在叶片顶端设置较大规模的接闪器，最大程度的避免叶片的损坏。

在对叶片进行接闪器布置的时候，可以考虑将接闪器大范围的安装在叶片的顶端，并且增加数量的安装，吸引雷电，尽可能少的使雷电击中叶片中部及以下其他位置，使得对叶片的损害最少。

为了验证此方法的有效性，接下来将模拟接闪器分别安装在叶片的顶部节点与中部节点进行试验，观察叶片暂态电位的改善情况，验证设计方法是否可行，模拟结果如图9、10所示。由图9可以看出，在叶片顶部安装接闪器后，叶片上各节点的暂态电位均发生了降低，接下来将接闪器装于叶片中部后进行模拟比较。

图10为将接闪器安装在风电机组叶片中部后的暂态电位变化曲线图。由两者仿真结果对比可见，本文选择在一固定幅值下的雷电事故模拟中，分别模拟了将接闪器安装于叶片中部以及顶部后的暂态电位变化情况，明显观察到将接闪器安装于叶片中部后，叶片上的暂态过电压降落的幅度高于将接闪器直接装于顶部后的暂态电位。经过计算，可以发现接闪器在安装于叶片中部2后，与不安装接闪器相比，叶片的防雷效果提高37.5％左右，所以可以判断防雷保护的建议具有可行性，并且效果比较明显。

Claims (9)

1.一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在ATP/EMTP仿真软件建立风机模型，对叶片结构进行计算模拟；

步骤2、采用机舱、塔体分段结构，建立风电机组雷电瞬态过程的模型；

步骤3、由步骤2所得仿真计算结果，研究叶片雷击点不同的雷电暂态电位分布影响，分析研究差异进行比较；

步骤4、依据电位分布对叶片的防雷保护提出措施，即在对叶片进行接闪器布置的时候，将接闪器大范围的安装在叶片的顶端，并且增加数量的安装，吸引雷电，尽可能少的使雷电击中叶片中部及以下其他位置，使得对叶片的损害最少，并采用实验验证措施的合理性。

2.根据权利要求1所述的一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，其特征在于，所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1.1，选择合适的雷电流，建立雷电流模型，反映雷电的特性；

步骤1.2，建立叶片模型，将风机叶片看作一个截面积为等效导体面积的长直导体，将风机叶片所等效的导体划分为若干段，每段的长度不超过雷电流所包含最大频率对应的最小波长的1/10，划分后的每一段导体用π型电路单元来表示，这样风机叶片等效为一系列π型等值电路的串联，计算得出叶片的电容、电感、电阻参数。

3.根据权利要求1所述的一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1，建立机舱模型，在主轴前段设置一条与其并行的低阻导流通道，该通道由铜质电刷和导体滑环组成，这样就在机组的雷电流传输路径上形成了一个由轴承和电刷形成的滑动接触部位，在传导雷电流时，雷电流在通过主轴承时会发生油膜放电，轴承会出现明显容性特征，其暂态特性用其滚子与内、外轴承圈之间的电容来表示，电刷与导体滑环运行过程中，采用集中的接触电阻等效，该电阻值在运行过程中保持稳定，滑动接触部位可近似等效为电容与电阻的并联体，可由现有的实验数据来估算电容；

步骤2.2，建立塔筒模型，采用圆台式的管状结构对风机塔筒模型进行等效模拟，在等效计算时，将塔筒划分为若干个分支导体，然后再对导体的每一块做电路等效处理，把划分后的每一块导体看做一个小圆柱体；将塔筒沿水平方向平均分成若干段，然后在竖直方向将塔体等长度分割，设雷电流源波形公式为：

I(t)＝AI_m(e^-αt-e^-βt) (1)

对其进行傅里叶变换，则

为了确定分段长度，需求出上式中的上限截止频率，但上式中实际上求不出上限截止频奉，这是因为只有ω→∞时才会有的|I(ω)|→0；为此，可按下式中来确定一个上限频率ω_e：

20lg[|I(ω)|/I_m]≈-(160-200)dB (3)

当频率高于ω_e时，谐波分量对雷电瞬态的贡献很小，可忽略不计；根据上限频率ω_e能够估算出频率范围内的最高次谐波所对应的波长，c为光速：

塔体剖分后，然后将网格划分后塔体的每一块导体再进行等效处理，即把每一块导体等效成具有一定半径的圆柱形导体，其中导体的半径可以按公式

来处理，公式中为a塔体的平均厚度；于是就将塔体的模型等效成了具有一定半径的圆柱导体相连的连续的“圆台筒状结构”；

步骤2.3，建立三相电缆模型，利用ATP/EMTP中的LINEPI_3模型模拟风电机中的电缆，得到更加符合实际的雷电暂态效果，建立与频率相关的电缆线路模型；

步骤2.4，建立发电机与变压器模型，风力发电机包括1台定子绕组与三相电网直连的异步发电机，以及连接发电机转子和定子输出端的变频器，采用ATP/EMTP中的UM1同步电机模型进行等效，变压器采用ATP/EMTP中SatTrafo模型来等效风力发电机组升压变压器。

4.根据权利要求2所述的一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，其特征在于，所述步骤1.1中建立电流模时，在ATP/EMTP仿真中，采用霍德勒雷电流数学模型，其函数表达式如下：

式(5)中，k为波形峰值修正因子；t₁，t₂分别为波头时间和波尾时闻；n为与雷电流波前陡度有关的参数，函数通过调节参数得到雷电流的特征，对于10/350μs的雷电流波形取n＝10。

5.根据权利要求2所述的一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，其特征在于，所述步骤1.2中建立叶片模型时，C、L、R分别为电容、电感、电阻参数；

每分段导体的电容均可以按照平均电位法进行求解，选择风电机组叶片中引下线上的其中一段导体所对应的上下两端点数值坐标为z_in，可计算得到其电容为：

式(6)中，

风电机组叶片的引下线中任意取一段导体j的阻抗，根据诺依曼积分公式求解，式中，l为叶片长度，r为叶片半径，ρ为电阻率，ε表示真空介电常数，μ₀为真空磁导率：

6.根据权利要求3所述的一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，其特征在于，所述步骤2.1中建立机舱模型时，从轴承系统的电场方程入手，通过对电位的近似求解，其结果可由式10、11计算：

式(10)中，ε是润滑油的介电常数；l为主轴承的长度；式(11)中，D为主轴承环轴线到滚子轴线的距离；R₁为滚子半径；R₂为轴承环的半径。

7.根据权利要求3所述的一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，其特征在于，所述步骤2.2中建立塔筒模型时，从雷电流源的波形频谱分析加以入手，设雷电流源波形公式为：

I(t)＝AI_m(e^-αt-e^-βt) (12)

对其进行傅里叶变换，则

为了确定分段长度，需求出上式中的上限截止频率，但上式中实际上求不出上限截止频奉，这是因为只有ω→∞时才会有的|I(ω)|→0；为此，可按下式中来确定一个上限频率ω_e：

20lg[|I(ω)|/I_m]≈-(160-200)dB (14)

认为当频率高于ω_e时，谐波分量对雷电瞬态的贡献已经很小，可忽略不计，根据所选定的上限频率ω_e能够估算出所考虑频率范围内的最高次谐波所对应的波长，c为光速：

因此，在实际计算中进行网格划分时，通常分段长度应小于雷电流频谱中最大频率所对应最小波长的来处理，分段导体的长度小于雷电流波长；

塔体剖分后，然后将网格划分后塔体的每一块导体再进行等效处理，即把每一块导体等效成具有一定半径的圆柱形导体，其中导体的半径可以按公式

来处理，公式中为a塔体的平均厚度，就将塔体的模型，等效成具有一定半径的圆柱导体相连的连续的“圆台筒状结构”。

8.根据权利要求3所述的一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，其特征在于，所述步骤2.3中，建立与频率相关的三相电缆模型，利用ATP/EMTP中的LINEPI_3模型模拟风电机中的电缆；

屏蔽层电感约为0.2mH/km，芯线单位长度电感可通过式(16) 得到，

式(16)中，μ₀为真空磁导率；r₁为芯线的内径；r₂芯线的外径；

风电机组内的分布电容主要包括了塔体与屏蔽层之间电容C₀，芯线与屏蔽层之间电容C₁，以及相电缆芯线间的电容C₂，因为塔体的半径比电缆大很多，在求取塔简与传输线间的分布电容时可将塔体作平面处理，可通过式(17)计算:

式(17)中，r为每段塔体的平均半位；r₃为电维外半；d₁₂为塔体与电缆之间的距离，雷电过电压下三相电缆屏蔽层与电锥芯线，电缆芯线与屏蔽层之间的电容大可以分别由式决定：

式(18)为绝缘材料的相对介电常数，乙丙橡胶的相对介电常数分布在6-7之间；D₂₃为芯线与屏蔽层之间的距离；

式(19)中，S为单芯电缆中心之间的距离，将电缆计算所得相对应的R、L、C参数输入LINEPI_3器件中，进行仿真。

9.根据权利要求3所述的一种基于接闪器安装准则的风机叶片雷击防护方法，其特征在于，所述步骤2.4中建立发电机与变压器模型时，架空线的单位长度电感和单位长度的电容可通过下列公式计算：

式中，h为架空线对地髙度；a为架空线半径。

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