[发明专利]基于雷电物理的风机叶片动态击距与电气几何模型的构建方法

说明书

本发明公开了一种基于雷电物理的风机叶片动态击距与电气几何模型构建方法，以雷电先导发展的物理模型为基础，利用风机叶片动态击距方法，确保风机叶片上不同位置具有不同的击距，以及风机叶片所处位置的变化而改变击距，给出了叶片动态击距的分布特征。假设雷电下行先导竖直向下发展，将动态击距与传统的电气几何模型相结合，建立针对风机叶片的电气几何分析模型。本发明提出的改进的电气几何模型不仅可为风机叶片的防雷设计与评估提供理论依据，而且为具有复杂结构的地面物体防雷计算提供思路。

技术领域

本发明涉及一种基于雷电物理的风机叶片动态击距与电气几何模型的构建方法。

背景技术

风电作为清洁能源的重要组成部分，其大规模发展是促进我国能源体系改革的重要技术支撑。然而，鉴于风机所处的环境及其自身特殊结构，极易遭受大气雷击。雷击事故中叶片的损伤占到雷击损伤总数的40％以上，且多数为不可修复性损伤。风机叶片的成本、吊装、维修等高额费用已严重影响到风电场的经济稳定运行。因此，寻找一个可靠的方法评估风机叶片防雷系统的效率，对风机叶片的防雷设计和促进风电的可持续发展具有重要意义。

当前的风机叶片防雷设计多是基于实验研究，在叶片周围电场分布、接闪器防护效果等方面取得了一定成果。但实验室的环境与实际风机的运行环境难免存在差异，其与实际情况的等效性也有待商榷，且对于不同环境、不同型号的风机叶片都需要进行重复试验，消耗大量的人力物力，亟需发展一种叶片防雷效率的评估方法。

20世纪60年代，国内外学者首次将雷电流的电气参数与线路的几何结构联系起来研究输电线路的屏蔽问题，在大量实验观测和计算的基础上推出了输电线路的经典电气几何模型，相对于传统规程法取得了巨大进步。此后人们对电气几何法中的击距公式进行了改进以适应不同的环境，但是击距公式依旧存在物理概念模糊，通用性较差的缺点，且不能体现地面物体不同位置、不同结构的击距变化，难以应用在像风机叶片这样的复杂旋转结构。同时，部分现有技术的研究主要是通过先导模型的反复计算，对指定点的防雷性能指标进行分析，并没有给出叶片整体的防雷效率计算方法。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于雷电物理的风机叶片动态击距与电气几何模型的构建方法，本发明将电气几何方法与雷电先导发展的物理过程相结合，提出了针对风机叶片的电气几何分析模型。通过引入风机叶片动态击距的概念及分析方法，使得击距的物理意义更加清晰，并进一步推导了叶片防雷系统效率的计算方法。随后利用该模型分析了实际尺寸风机叶片防雷系统效率的影响因素，并基于风机叶片长间隙击穿实验验证了该方法的有效性。提出的风机叶片电气几何模型，可为风机叶片的防雷设计与评估提供理论依据。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于雷电物理的风机叶片动态击距与电气几何模型的构建方法，以雷电先导发展的物理模型为基础，并以负极性雷击描述雷击过程，将负极性雷击分为三个阶段，下行先导向下发展，上行先导起始，上下行先导连接过程，假定雷电下行先导竖直向下发展，当上、下行先导的流注相遇时发生雷击，将发生雷击时上行先导流注头部的高度定为击距，据此计算出风机叶片动态击距，以体现风机叶片上不同位置具有不同的击距，以及风机叶片所处位置的变化而改变击距，在假设雷电流数值向下发展的前提下，根据动态击距，建立针对风机叶片的电气几何模型。

根据风机叶片电气几何模型中暴露弧、屏蔽弧以及风机叶片旋转角度的几何关系，计算风机叶片电气几何模型暴露距离，进而得到风机叶片防雷系统效率。

风机叶片雷电防护的电气几何模型中包括叶片接闪器的击距、叶片叶身处的击距、暴露弧和屏蔽弧。

当雷电流幅值增大，暴露弧会持续减小直至消失，叶片得到完全屏蔽，此时所对应的雷电流幅值为叶片可能接闪失败的最大雷电流。

雷电下行先导采用先导通道电荷分布模型。