本發(fā)明涉及一種基于雷電物理的風(fēng)機(jī)葉片動(dòng)態(tài)擊距與電氣幾何模型的構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)電作為清潔能源的重要組成部分，其大規(guī)模發(fā)展是促進(jìn)我國(guó)能源體系改革的重要技術(shù)支撐。然而，鑒于風(fēng)機(jī)所處的環(huán)境及其自身特殊結(jié)構(gòu)，極易遭受大氣雷擊。雷擊事故中葉片的損傷占到雷擊損傷總數(shù)的40％以上，且多數(shù)為不可修復(fù)性損傷。風(fēng)機(jī)葉片的成本、吊裝、維修等高額費(fèi)用已嚴(yán)重影響到風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。因此，尋找一個(gè)可靠的方法評(píng)估風(fēng)機(jī)葉片防雷系統(tǒng)的效率，對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的防雷設(shè)計(jì)和促進(jìn)風(fēng)電的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

當(dāng)前的風(fēng)機(jī)葉片防雷設(shè)計(jì)多是基于實(shí)驗(yàn)研究，在葉片周圍電場(chǎng)分布、接閃器防護(hù)效果等方面取得了一定成果。但實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境與實(shí)際風(fēng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境難免存在差異，其與實(shí)際情況的等效性也有待商榷，且對(duì)于不同環(huán)境、不同型號(hào)的風(fēng)機(jī)葉片都需要進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，消耗大量的人力物力，亟需發(fā)展一種葉片防雷效率的評(píng)估方法。

20世紀(jì)60年代，國(guó)內(nèi)外學(xué)者首次將雷電流的電氣參數(shù)與線路的幾何結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來研究輸電線路的屏蔽問題，在大量實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和計(jì)算的基礎(chǔ)上推出了輸電線路的經(jīng)典電氣幾何模型，相對(duì)于傳統(tǒng)規(guī)程法取得了巨大進(jìn)步。此后人們對(duì)電氣幾何法中的擊距公式進(jìn)行了改進(jìn)以適應(yīng)不同的環(huán)境，但是擊距公式依舊存在物理概念模糊，通用性較差的缺點(diǎn)，且不能體現(xiàn)地面物體不同位置、不同結(jié)構(gòu)的擊距變化，難以應(yīng)用在像風(fēng)機(jī)葉片這樣的復(fù)雜旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，部分現(xiàn)有技術(shù)的研究主要是通過先導(dǎo)模型的反復(fù)計(jì)算，對(duì)指定點(diǎn)的防雷性能指標(biāo)進(jìn)行分析，并沒有給出葉片整體的防雷效率計(jì)算方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于雷電物理的風(fēng)機(jī)葉片動(dòng)態(tài)擊距與電氣幾何模型的構(gòu)建方法，本發(fā)明將電氣幾何方法與雷電先導(dǎo)發(fā)展的物理過程相結(jié)合，提出了針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的電氣幾何分析模型。通過引入風(fēng)機(jī)葉片動(dòng)態(tài)擊距的概念及分析方法，使得擊距的物理意義更加清晰，并進(jìn)一步推導(dǎo)了葉片防雷系統(tǒng)效率的計(jì)算方法。隨后利用該模型分析了實(shí)際尺寸風(fēng)機(jī)葉片防雷系統(tǒng)效率的影響因素，并基于風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)間隙擊穿實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。提出的風(fēng)機(jī)葉片電氣幾何模型，可為風(fēng)機(jī)葉片的防雷設(shè)計(jì)與評(píng)估提供理論依據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于雷電物理的風(fēng)機(jī)葉片動(dòng)態(tài)擊距與電氣幾何模型的構(gòu)建方法，以雷電先導(dǎo)發(fā)展的物理模型為基礎(chǔ)，并以負(fù)極性雷擊描述雷擊過程，將負(fù)極性雷擊分為三個(gè)階段，下行先導(dǎo)向下發(fā)展，上行先導(dǎo)起始，上下行先導(dǎo)連接過程，假定雷電下行先導(dǎo)豎直向下發(fā)展，當(dāng)上、下行先導(dǎo)的流注相遇時(shí)發(fā)生雷擊，將發(fā)生雷擊時(shí)上行先導(dǎo)流注頭部的高度定為擊距，據(jù)此計(jì)算出風(fēng)機(jī)葉片動(dòng)態(tài)擊距，以體現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片上不同位置具有不同的擊距，以及風(fēng)機(jī)葉片所處位置的變化而改變擊距，在假設(shè)雷電流數(shù)值向下發(fā)展的前提下，根據(jù)動(dòng)態(tài)擊距，建立針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的電氣幾何模型。

根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片電氣幾何模型中暴露弧、屏蔽弧以及風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)角度的幾何關(guān)系，計(jì)算風(fēng)機(jī)葉片電氣幾何模型暴露距離，進(jìn)而得到風(fēng)機(jī)葉片防雷系統(tǒng)效率。

風(fēng)機(jī)葉片雷電防護(hù)的電氣幾何模型中包括葉片接閃器的擊距、葉片葉身處的擊距、暴露弧和屏蔽弧。

當(dāng)雷電流幅值增大，暴露弧會(huì)持續(xù)減小直至消失，葉片得到完全屏蔽，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的雷電流幅值為葉片可能接閃失敗的最大雷電流。

雷電下行先導(dǎo)采用先導(dǎo)通道電荷分布模型。

利用風(fēng)機(jī)葉片電氣幾何模型，分析風(fēng)機(jī)葉片角度、雷電流幅值和接閃器布置對(duì)防雷系統(tǒng)效率的影響，最后基于風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)間隙下?lián)舸?shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性。

風(fēng)機(jī)葉片動(dòng)態(tài)擊距的計(jì)算方法包括：

1)根據(jù)雷云和下行先導(dǎo)位置，求出風(fēng)機(jī)周圍的背景電位，計(jì)算空間電離產(chǎn)生的電荷數(shù)，判定電暈起始，若電暈不起始，下行先導(dǎo)進(jìn)一步向下發(fā)展；

2)電暈起始后，由風(fēng)機(jī)周圍電位曲線計(jì)算電暈區(qū)域電荷，當(dāng)電暈區(qū)域電荷大于設(shè)定值時(shí)流注向先導(dǎo)轉(zhuǎn)化，否則下行先導(dǎo)進(jìn)一步向下發(fā)展；

3)先導(dǎo)起始后，假定一個(gè)初始先導(dǎo)長(zhǎng)度，根據(jù)電位畸變曲線計(jì)算上行先導(dǎo)發(fā)展過程，當(dāng)上下行先導(dǎo)頭部之間的平均場(chǎng)強(qiáng)為estr時(shí)確定接閃，最終求得上行先導(dǎo)和流注的發(fā)展高度。

當(dāng)風(fēng)機(jī)的塔筒高度、雷電流幅值固定時(shí)，葉片的擊距與葉片上的位置和旋轉(zhuǎn)角度有關(guān)。

風(fēng)機(jī)防雷系統(tǒng)效率為：

其中，es為葉片防雷系統(tǒng)分級(jí)效率，雷電流幅值為i，imin和imax分別為雷電流最小和最大幅值，葉片呈角度θ，f(i)為關(guān)于雷電流幅值的概率函數(shù)，lmn(i，θ)表示暴露距離的總和，lmo(i，θ)表示總區(qū)域距離。

在暴風(fēng)雨天氣風(fēng)機(jī)停運(yùn)時(shí)，避免有風(fēng)機(jī)葉片接近水平，使葉片豎直向上。增加葉片接閃器時(shí)，要考慮接閃器之間的屏蔽效應(yīng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

1)本發(fā)明提出了風(fēng)機(jī)葉片動(dòng)態(tài)擊距的概念及分析方法。通過雷電上行先導(dǎo)的物理發(fā)展模型，給出了葉片動(dòng)態(tài)擊距的分布特征，發(fā)現(xiàn)接閃器處的擊距有明顯增大，并且該分析方法為具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的地面物體防雷提供思路；

2)本發(fā)明基于風(fēng)機(jī)葉片動(dòng)態(tài)擊距的概念，該模型將電氣幾何方法與雷電先導(dǎo)發(fā)展的物理過程相結(jié)合，給出了葉片防雷系統(tǒng)效率的計(jì)算方法，為葉片防雷系統(tǒng)的評(píng)估提供理論依據(jù)，同時(shí)設(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)間隙擊穿實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性；

3)利用構(gòu)建的模型分析了風(fēng)機(jī)葉片的防雷系統(tǒng)效率，發(fā)現(xiàn)雷電流幅值越小、葉片越接近水平葉片防雷系統(tǒng)的效率越低，在暴風(fēng)雨天氣風(fēng)機(jī)停運(yùn)時(shí)，避免有風(fēng)機(jī)葉片接近水平，使其中一葉片豎直向上。增設(shè)葉身接閃器可以有效的提高葉片的防雷效率。

附圖說明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說明書附圖用來提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。

圖1(a)、圖1(b)為本發(fā)明的風(fēng)機(jī)葉片動(dòng)態(tài)擊距示意圖；

圖2為本發(fā)明的風(fēng)機(jī)葉片雷電防護(hù)電氣幾何模型示意圖；

圖3為本發(fā)明的雷云電荷分布模型示意圖；

圖4為本發(fā)明的先導(dǎo)發(fā)展模型示意圖；

圖5為本發(fā)明的i＝30ka時(shí)動(dòng)態(tài)擊距曲線示意圖；

圖6為本發(fā)明的葉片防雷系統(tǒng)雷電攔截效率分析圖；

圖7為本發(fā)明的暴露距離數(shù)學(xué)計(jì)算模型示意圖；

圖8為本發(fā)明的不同雷電流幅值下葉片防雷系統(tǒng)失效率示意圖；

圖9為本發(fā)明的i＝20ka時(shí)動(dòng)態(tài)擊距曲線示意圖；

圖10(a)、圖10(b)分別為本發(fā)明在沖擊電流15ka、7.5ka下葉片材料損傷圖；

圖11為本發(fā)明不同接閃器數(shù)量下葉片防雷系統(tǒng)失效率示意圖；

圖12為本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)原理圖；

圖13為本發(fā)明的放電路徑觀測(cè)結(jié)果示意圖；

圖14為本發(fā)明的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本發(fā)明使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術(shù)所介紹的，風(fēng)機(jī)遭受雷擊所造成的高額費(fèi)用已嚴(yán)重影響到風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行，尋找一個(gè)可靠的方法評(píng)估風(fēng)機(jī)葉片防雷系統(tǒng)的效率，對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的防雷設(shè)計(jì)和促進(jìn)風(fēng)電的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及仿真模型都不適用于風(fēng)機(jī)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以及其旋轉(zhuǎn)特性，也并沒有給出葉片整體的防雷效率計(jì)算方法，為了解決如上的技術(shù)問題，本申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N基于雷電物理的風(fēng)機(jī)葉片動(dòng)態(tài)擊距與電氣幾何模型的構(gòu)建方法，本發(fā)明將電氣幾何方法與雷電先導(dǎo)發(fā)展的物理過程相結(jié)合，提出了針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的電氣幾何分析模型。通過引入風(fēng)機(jī)葉片動(dòng)態(tài)擊距的概念及分析方法，使得擊距的物理意義更加清晰，并進(jìn)一步推導(dǎo)了葉片防雷系統(tǒng)效率的計(jì)算方法。隨后利用該模型分析了實(shí)際尺寸(1.5mw)風(fēng)機(jī)葉片防雷系統(tǒng)效率的影響因素，并基于風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)間隙擊穿實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。新提出的風(fēng)機(jī)葉片電氣幾何模型，可為風(fēng)機(jī)葉片的防雷設(shè)計(jì)與評(píng)估提供理論依據(jù)。

本申請(qǐng)的一種典型的實(shí)施方式中，電氣幾何法可以將雷電流參數(shù)同被研究物體的幾何結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，利用擊距描述地面物體的引雷能力，認(rèn)為雷電下行先導(dǎo)先到達(dá)哪個(gè)物體的擊距便向哪個(gè)物體放電。擊距的物理意義為雷云向地面發(fā)展的先導(dǎo)放電通道頭部到達(dá)被擊物體的臨界擊穿距離。在傳統(tǒng)電氣幾何法的擊距計(jì)算中，主要是根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，或只通過地面物體周圍的場(chǎng)強(qiáng)來確定擊距，與實(shí)際的雷擊過程差距較大。目前廣泛應(yīng)用的擊距公式僅是雷電流的函數(shù)，而實(shí)際風(fēng)機(jī)葉片的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)是在葉片上嵌有一個(gè)或多個(gè)接閃器，因此，傳統(tǒng)的擊距計(jì)算方法無法體現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片接閃器和葉身(無接閃器部分)擊距的不同，另外也不能考慮葉片旋轉(zhuǎn)角度對(duì)擊距的影響，并不適用于風(fēng)機(jī)葉片的防雷計(jì)算。

為建立風(fēng)機(jī)葉片的電氣幾何模型，本發(fā)明引入風(fēng)機(jī)葉片動(dòng)態(tài)擊距的概念，其“動(dòng)態(tài)”主要包括兩層含義：第一，風(fēng)機(jī)葉片上不同位置(如接閃器和葉身)具有不同的擊距；第二，風(fēng)機(jī)葉片所處位置(如角度和高度)的變化，也會(huì)引起擊距的變化。風(fēng)機(jī)葉片的動(dòng)態(tài)擊距具有分布特征，不僅接閃器處存在擊距，葉身處也有對(duì)應(yīng)的擊距，只是葉身的擊距較短，在葉片的平面內(nèi)可看作距離葉身表面一定距離、曲率較小的非圓弧。圖1(a)、圖1(b)給出了不同角度和葉片上不同位置擊距的變化情況。當(dāng)葉片非豎直向上時(shí)，兩側(cè)擊距不是嚴(yán)格對(duì)稱的，下側(cè)的擊距(如圖1(a)所示)略小于上側(cè)的擊距。當(dāng)假設(shè)雷電豎直向下發(fā)展時(shí)，下側(cè)擊距不會(huì)影響接閃，考慮到葉片的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，將葉片上側(cè)擊距關(guān)于葉片軸線對(duì)稱到下側(cè)，便于模型的數(shù)值計(jì)算。

根據(jù)上述風(fēng)機(jī)葉片的動(dòng)態(tài)擊距概念，可推導(dǎo)風(fēng)機(jī)葉片雷電防護(hù)的電氣幾何模型，如圖2所示，假設(shè)雷電下行先導(dǎo)豎直向下發(fā)展。其中，rp為葉片接閃器的擊距，rb為葉片葉身處的擊距，θ為風(fēng)機(jī)葉片與水平方向的夾角，取逆時(shí)針方向?yàn)檎?。?dāng)雷電流幅值為i時(shí)，葉片的擊距對(duì)應(yīng)于弧其中弧為暴露弧，為屏蔽弧，a點(diǎn)為所研究葉片部分(可以是葉片一部分)對(duì)應(yīng)擊距包絡(luò)線的起始點(diǎn)。當(dāng)雷電下行先導(dǎo)到達(dá)暴露弧時(shí)，則表示葉身遭受雷擊，防雷系統(tǒng)接閃失敗。

隨著雷電流的增加，rp和rb也隨之增大，當(dāng)雷電流增加到im時(shí)，擊距范圍增加到可以看到暴露弧相對(duì)于雷電流i時(shí)的暴露弧明顯減小，當(dāng)雷電流幅值繼續(xù)增大，暴露弧會(huì)繼續(xù)減小至消失，葉片得到完全屏蔽，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的雷電流幅值為葉片可能接閃失敗的最大雷電流imax。當(dāng)雷電流的幅值大于imax時(shí)，葉片的防雷系統(tǒng)能夠?qū)θ~片完全屏蔽，imax主要與葉片所處位置及葉片防雷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有關(guān)。對(duì)于一個(gè)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的風(fēng)機(jī)葉片防雷系統(tǒng)，其不能有效屏蔽的雷電流的幅值范圍是imin<i<imax，其中imin為使葉片擊穿時(shí)材料不受損傷的最大雷電流幅值，imin主要與葉片所用材料及加工工藝有關(guān)。若葉片防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的防護(hù)能力足夠強(qiáng)，使得imax<imin，則該葉片防雷系統(tǒng)能夠?qū)λ蟹档睦纂娏饔行帘巍?/p>

風(fēng)機(jī)葉片的電氣幾何模型通過擊距來描述葉片各位置的引雷能力，動(dòng)態(tài)擊距是風(fēng)機(jī)葉片電氣幾何模型中的一個(gè)特征參數(shù)，也是最終定量表征風(fēng)機(jī)葉片防雷效率的基礎(chǔ)。要想表征動(dòng)態(tài)擊距的變化特性，就需要考慮葉片不同位置空間電位的畸變情況，進(jìn)一步納入雷電先導(dǎo)發(fā)展的物理機(jī)制，從而解決動(dòng)態(tài)擊距的計(jì)算問題。

雷擊發(fā)展過程中，背景電位主要由雷云和下行先導(dǎo)兩部分電位組成。本發(fā)明采用模擬電荷法求取背景電位分布，雷云和下行先導(dǎo)的電荷分布模型如圖3所示。

自然界雷電以負(fù)極性雷電為主，其雷云一般具有2～3個(gè)電荷中心，最上層集聚大量正電荷，下層為負(fù)電荷，最底部有時(shí)具有一個(gè)或多個(gè)弱正電荷區(qū)域。uman和rakov采用圓柱電荷堆模型來模擬雷云電荷，可真實(shí)的反應(yīng)出雷云電荷分布以及空間電位特性。amorouso和lattarulo研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷云內(nèi)電荷密度較均勻時(shí)，圓柱電荷堆可以用帶電圓盤來簡(jiǎn)化，如圖3所示。模型中取模型中各參數(shù)的典型值取為：ρp＝3nc/m³，ρn＝-0.9nc/m³，hp＝10km，hb＝5.5km，hn＝1.5km。經(jīng)過計(jì)算軸線上近地面電場(chǎng)強(qiáng)度約在10～20kv/m之間。

雷電下行先導(dǎo)采用cooray提出的先導(dǎo)通道電荷分布模型，該模型與實(shí)測(cè)值具有良好的吻合性，先導(dǎo)中電荷密度為：

其中ρ(ζ)為下行先導(dǎo)通道電荷密度，c/m；ζ為先導(dǎo)通道中某點(diǎn)距先導(dǎo)頭部距離，m；ip為雷電流幅值，ka；hc為雷云對(duì)地高度，hc＝hn＝1500m；hi為先導(dǎo)頭部距地高度，m；各系數(shù)為a0＝1.476×10^-5，a＝4.857×10^-5，b＝3.9097×10^-6，c＝0.522，d＝3.73×10^-3。

隨著負(fù)極性下行先導(dǎo)向下發(fā)展，地面物體表面電場(chǎng)增加，由于碰撞電離和附著作用產(chǎn)生了正極性空間電荷區(qū)域，當(dāng)正極性空間電荷大于一定值時(shí)產(chǎn)生初始電暈：

式中α和η分別為碰撞電離系數(shù)和附著系數(shù)，r0為電極曲率半徑，r為碰撞電離區(qū)邊界，x為電子崩頭部到電極距離，ncri可取為0.55×10⁸。

初始電暈產(chǎn)生后，會(huì)在放電間隙中形成流注區(qū)，流注區(qū)產(chǎn)生的自由電子匯集到流注的根部，自由電子在根部與氣體分子發(fā)生碰撞，傳遞給氣體分子能量(平動(dòng)能、旋轉(zhuǎn)能、電子激發(fā)能和振動(dòng)能等)，該部分能量將在10^-5s～10^-3s內(nèi)轉(zhuǎn)換為平動(dòng)能ht(th)，th為氣體分子的平動(dòng)能溫度。若假定流注區(qū)內(nèi)氣體分子質(zhì)量恒定，則平動(dòng)能方程滿足：

式中ft、fr、fe分別為平動(dòng)能、旋轉(zhuǎn)能、電子激發(fā)能的轉(zhuǎn)換系數(shù)，ft+fr+fe＝0.07，k為玻爾茲曼常數(shù)，nh為氣體分子密度，rstem、e、i分別為流注底部的半徑、場(chǎng)強(qiáng)和通過的電流，tv為分子振動(dòng)能溫度，τvt為振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為平動(dòng)能的時(shí)間常數(shù)，wv(t)為氣體分子振動(dòng)能，振動(dòng)能的平衡方程可表示為：

式中εv為氮?dú)夥肿诱駝?dòng)基態(tài)激發(fā)能，約為0.28ev，fv為振動(dòng)能的轉(zhuǎn)化系數(shù)，ft+fr+fe+fv＝1。當(dāng)流注底部溫度達(dá)到1500k時(shí)電導(dǎo)率明顯增大，先導(dǎo)開始形成。流注底部溫度與流注區(qū)域產(chǎn)生的電子數(shù)有關(guān)，根據(jù)上述氣體分子的動(dòng)能平衡方程式，當(dāng)流注區(qū)域的空間電荷大于1μc時(shí)，可認(rèn)為滿足流注向先導(dǎo)轉(zhuǎn)化的溫度條件。

上行先導(dǎo)起始后，認(rèn)為下行先導(dǎo)以一定速度呈階梯狀向下發(fā)展，對(duì)應(yīng)的上行先導(dǎo)發(fā)展過程如圖4所示。上行先導(dǎo)頭部的電位為：

式中e∞為準(zhǔn)靜態(tài)先導(dǎo)場(chǎng)強(qiáng)穩(wěn)態(tài)值，3×10⁴v/m；estr為流注區(qū)電場(chǎng)近似于恒定值，4.5×10⁵v/m；x0為長(zhǎng)度系數(shù)，0.75m。

當(dāng)下行先導(dǎo)發(fā)展到i-1步，不考慮流注區(qū)域空間電荷時(shí)，背景電位為u1^i-1，考慮流注區(qū)空間電荷后電位畸變?yōu)閡2^i-1。當(dāng)下行先導(dǎo)發(fā)展到i步時(shí)，假設(shè)上行先導(dǎo)沒有發(fā)展，背景電位變?yōu)閡ⁱ，此時(shí)考慮到第i-1步的空間電荷，電位畸變?yōu)閡tⁱ。在先導(dǎo)頭部從l^i-1發(fā)展到lⁱ的過程中，流注頭部發(fā)展到lsⁱ，流注區(qū)域的電位變?yōu)閡2ⁱ。圖4中陰影面積可表示該過程中新產(chǎn)生的電荷δqⁱ，可近似用下式計(jì)算：

式中kq為環(huán)境因子，取值為3.5×10^-11c/(v·m)。下一步先導(dǎo)的增長(zhǎng)量可表示為：

式中ql為滿足流注向先導(dǎo)轉(zhuǎn)化時(shí)，單位長(zhǎng)度先導(dǎo)所需要的電量，對(duì)于自然界雷電取值約為65×10^-6c/m。則下一步上行先導(dǎo)頭部位置為：

lⁱ⁺¹＝lⁱ+δlⁱ(8)

由上述先導(dǎo)發(fā)展機(jī)制，認(rèn)為上、下行先導(dǎo)的流注相遇時(shí)發(fā)生雷擊。因此，計(jì)算時(shí)葉片上某一點(diǎn)的動(dòng)態(tài)擊距定義為當(dāng)下行先導(dǎo)處于該點(diǎn)正上方，發(fā)生雷擊時(shí)上行先導(dǎo)流注頭部相對(duì)于該研究點(diǎn)的高度。利用先導(dǎo)模型確定擊距更加符合實(shí)際的雷擊過程。

計(jì)算中，風(fēng)機(jī)模型的參數(shù)為塔筒高70m，葉片長(zhǎng)40m，葉片內(nèi)引下線半徑0.01m，塔筒半徑2.5m。風(fēng)機(jī)葉片動(dòng)態(tài)擊距計(jì)算流程如下：

1)根據(jù)雷云和下行先導(dǎo)位置，求出風(fēng)機(jī)周圍的背景電位，利用式(2)計(jì)算空間電離產(chǎn)生的電荷數(shù)，判定電暈起始，若電暈不起始，下行先導(dǎo)進(jìn)一步向下發(fā)展；

2)電暈起始后，由風(fēng)機(jī)周圍電位曲線計(jì)算電暈區(qū)域電荷δq，當(dāng)δq>1μc時(shí)流注向先導(dǎo)轉(zhuǎn)化，否則下行先導(dǎo)進(jìn)一步向下發(fā)展；

3)先導(dǎo)起始后，假定初始先導(dǎo)長(zhǎng)度0.05m，根據(jù)電位畸變曲線(8)計(jì)算上行先導(dǎo)發(fā)展過程，當(dāng)上下行先導(dǎo)頭部之間的平均場(chǎng)強(qiáng)為estr時(shí)確定接閃，最終求得上行先導(dǎo)和流注的發(fā)展高度。

本發(fā)明計(jì)算中為減小計(jì)算量，認(rèn)為上行先導(dǎo)長(zhǎng)度>2m可形成穩(wěn)定上行先導(dǎo)。上下行先導(dǎo)發(fā)展的整體速度比在1:4～1:1之間變化，對(duì)于自然界雷擊這樣的超長(zhǎng)間隙放電，計(jì)算發(fā)現(xiàn)其整體速度比更接近1:4。由上行先導(dǎo)穩(wěn)定起始時(shí)下行先導(dǎo)的對(duì)地高度，結(jié)合速度比可給出動(dòng)態(tài)擊距的近似值。由先導(dǎo)模型，當(dāng)雷電流為30ka，下行先導(dǎo)步長(zhǎng)為10m，速度比取1:4時(shí)得到風(fēng)機(jī)葉片的動(dòng)態(tài)擊距曲線如圖5所示，可以看出當(dāng)塔筒高度、雷電流幅值固定時(shí)，葉片的擊距與葉片上的位置和旋轉(zhuǎn)角度有關(guān)。

風(fēng)機(jī)葉片的動(dòng)態(tài)擊距曲線如圖5所示，可分為三個(gè)區(qū)域，在尖端效應(yīng)區(qū)存在明顯的上翹，這是由葉尖接閃器尖端效應(yīng)導(dǎo)致的，接閃器周圍的空間電位畸變嚴(yán)重，更容易產(chǎn)生上行先導(dǎo)，所以其擊距明顯大于葉身處。葉身區(qū)域擊距隨距葉片尖端距離的增加而減小，可近似用一條斜向下的直線表示葉身擊距rb(l)，l表示距葉尖距離，如圖5中的虛線所示。虛線與橫坐標(biāo)方向的夾角為θ'，我們稱之為葉身動(dòng)態(tài)擊距擬合角，為負(fù)值。在屏蔽效應(yīng)區(qū)，由于風(fēng)機(jī)塔筒屏蔽效應(yīng)，擊距下降速度加快，該現(xiàn)象在葉片角度越接近水平時(shí)越明顯。ieee根據(jù)大量現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)推薦的擊距公式在地面物體防雷中有廣泛應(yīng)用，但只能給出風(fēng)機(jī)葉片豎直向上時(shí)葉尖接閃器的擊距，利用ieee推薦公式計(jì)算葉尖接閃器擊距為72.9m，與本發(fā)明擊距模型得到葉尖接閃器擊距67m比較接近，證明了本發(fā)明擊距模型的可靠性。

電氣幾何法自提出以來經(jīng)過了不斷改進(jìn)，1993年ieee工作組基于長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和研究，提出了采用暴露距離的方法來計(jì)算防雷系統(tǒng)的攔截效率，該方法同樣假定下行先導(dǎo)豎直向下發(fā)展，與本發(fā)明先前做的假設(shè)一致。其中暴露距離是指暴露弧兩端點(diǎn)之間的水平距離，如圖6所示。

iec61400-24中提出風(fēng)機(jī)防雷系統(tǒng)效率e的計(jì)算公式：

e＝ei×es(9)

式中ei為風(fēng)機(jī)葉片的攔截效率，es為葉片防雷系統(tǒng)分級(jí)效率。

當(dāng)雷電流幅值為i，葉片呈角度θ時(shí)，根據(jù)暴露距離法得葉片的攔截效率ei：

當(dāng)雷電流幅值imin<i<imax，由式(9)、式(10)得到風(fēng)機(jī)葉片與水平方向呈角度θ時(shí)，葉片防雷系統(tǒng)效率為：

式中f(i)為關(guān)于雷電流幅值的概率函數(shù)；對(duì)于有多接閃器的風(fēng)機(jī)葉片，lmn表示暴露距離的總和。

在實(shí)際風(fēng)機(jī)運(yùn)行中，風(fēng)機(jī)葉片處于不斷旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，式(11)中的各距離不僅是i的函數(shù)，也是θ的函數(shù)?？紤]到風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)過程以及葉片在0-180°時(shí)更易遭受雷擊，令式(11)在0-180°內(nèi)幾何平均值作為運(yùn)行風(fēng)機(jī)葉片防雷系統(tǒng)效率：

在此我們認(rèn)為防雷系統(tǒng)泄流容量足夠大，只要接閃器接閃成功則不會(huì)對(duì)葉片造成損傷，則es取值為1。

暴露距離lmn是獲得風(fēng)機(jī)葉片防雷系統(tǒng)效率的重要參數(shù)。下面將以兩接閃器葉片暴露距離計(jì)算為例，說明風(fēng)機(jī)葉片暴露距離計(jì)算方法。由于葉片的旋轉(zhuǎn)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，計(jì)算中θ取值為0-90°。

葉片具有側(cè)接閃器時(shí)擊距的包絡(luò)范圍如圖7所示。l1、l2分別表示兩接閃器和接閃器到所研究葉片起點(diǎn)間的距離；屏蔽弧分別為以葉尖接閃器和葉身接閃器為圓心，兩接閃器擊距rp1、rp2為半徑的圓?。槐┞痘?imgfile="bda0001333929720000144.gif"wi="260"he="71"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>到葉身的垂直距離為葉身的擊距rb(l)，暴露距離即a1、b1和c1、d1水平距離的和。所研究葉片起點(diǎn)處o的葉身擊距為rb(l1+l2)，令a1點(diǎn)坐標(biāo)為(x1,y1)，則有：

葉片同一側(cè)暴露弧(如)可近似認(rèn)為在同一條直線上，a1、b1、c1、d1所在的直線為：

式中θ'為葉身動(dòng)態(tài)擊距擬合角(圖5中給出)。o1、o2的坐標(biāo)為：

則o1、o2所在圓的方程為：

聯(lián)立式(14)、式(16)可以求得坐標(biāo)b1(x2,y2)、c1(x3,y3)、d1(x4,y4)的數(shù)值，根據(jù)葉片動(dòng)態(tài)擊距作出電氣幾何模型圖，可確定各點(diǎn)位置。對(duì)于圖7所示存在兩端暴露弧的情況，需要舍棄x值最大的一組解且有x2<x3<x4。則暴露距離lmn為：

lmn＝x4-x3+x2-x1(17)

所研究葉片部分對(duì)應(yīng)的總區(qū)域lmo為：

將式(17)、式(18)代入式(12)(或式(11))可得到所研究風(fēng)機(jī)葉片部分的運(yùn)行防雷系統(tǒng)效率e(或固定角度防雷系統(tǒng)效率eθ)。

風(fēng)機(jī)參數(shù)前所述，根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片電氣幾何模型，得到30ka雷電流、只有葉尖接閃器的葉片，在典型角度0°、30°、60°、90°下的防雷系統(tǒng)效率eθ。為了更直觀地給出葉片防雷失效的情況，本發(fā)明根據(jù)葉片旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性繪制了在0-180°內(nèi)的防雷系統(tǒng)失效率曲線(1-eθ)，如圖8中所示。圖中極坐標(biāo)的角度表示葉片旋轉(zhuǎn)角度θ，半徑表示葉片防雷系統(tǒng)失效率1-eθ。

在雷電流幅值30ka時(shí)，葉片旋轉(zhuǎn)角度越接近水平線，防雷系統(tǒng)失效率越大。當(dāng)角度為0°時(shí)，失效率為40％左右，當(dāng)葉片角度轉(zhuǎn)到30°過程中，失效率迅速下降接近于0。這是由于葉片角度越大，葉尖接閃器尖端的空間電位畸變?cè)矫黠@，越容易起始上行先導(dǎo)，致使接閃器的擊距增大，暴露弧長(zhǎng)度迅速減小，葉片處于葉尖接閃器的防護(hù)范圍內(nèi)。

通過對(duì)風(fēng)機(jī)角度的研究，建議在暴風(fēng)雨天氣風(fēng)機(jī)停運(yùn)時(shí)，避免有風(fēng)機(jī)葉片接近水平，可使一葉片豎直向上，可有效的提高葉片防雷系統(tǒng)效率。

改變雷電流幅值(30ka、20ka、10ka)，并保證其他參數(shù)不變，研究雷電流幅值對(duì)葉片防雷效率的影響，不同雷電流幅值下葉片防雷系統(tǒng)失效率如圖8所示。當(dāng)雷電流20ka，θ＝30°時(shí)，失效率為17％，θ＝60°時(shí)失效率已降至為0；當(dāng)雷電流10ka，θ＝30°時(shí)，失效率為53％，θ＝60°時(shí)其失效率為15％。發(fā)現(xiàn)隨著雷電流幅值的減小，葉片的防雷效率下降明顯，且葉片完全防護(hù)的角度也隨之減小。故雷電流越小，葉片越容易遭受雷擊。

這是由于雷電流的改變導(dǎo)致葉片的擊距發(fā)生變化，影響了葉片的防雷效率。雷電流20ka時(shí)動(dòng)態(tài)擊距曲線如圖9所示，對(duì)比圖5發(fā)現(xiàn)，葉片尖端和葉身處的擊距都有明顯的減小，且接閃器尖端效應(yīng)減弱，使得屏蔽弧范圍變小，導(dǎo)致葉片接閃不成功的概率增大。

對(duì)于葉片多孔夾層材料，在10ka電流下就可以造成不可逆的燒蝕損傷，留下安全隱患。如圖10所示，為風(fēng)機(jī)葉片夾層材料(pet，10cm×10cm)在沖擊電流下的損傷情況，在電流15ka時(shí)材料燒蝕嚴(yán)重，7.5ka時(shí)只有在電弧通過周圍一小塊區(qū)域有碳化現(xiàn)象，故建議imin取值要小于10ka。

為研究葉身接閃器對(duì)葉片保護(hù)的影響，在距離葉片尖端7m處加入一葉身接閃器，得到30ka雷電流該葉片防雷系統(tǒng)失效率如圖11曲線所示。對(duì)比一接閃器情況，當(dāng)葉片水平時(shí)，防雷系統(tǒng)攔截失效率由41％降至25％，加入的葉身接閃器可有效地增加屏蔽弧的范圍，從而提高了葉片防雷系統(tǒng)效率。

由于接閃器之間存在屏蔽效應(yīng)，當(dāng)兩接閃器距離較近時(shí)，葉尖接閃器較原先的擊距會(huì)有所下降，計(jì)算發(fā)現(xiàn)葉身接閃器距葉尖接閃器1m左右時(shí)，葉尖接閃器擊距下降大約2m。所以在布置接閃器位置時(shí)，需要根據(jù)葉片電氣幾何模型來確定接閃器的排放，以達(dá)到葉片防雷效率的要求，不能簡(jiǎn)單地增加接閃器數(shù)量，否則可能會(huì)出現(xiàn)增加接閃器數(shù)量反而導(dǎo)致葉片防雷效率下降的現(xiàn)象。

明確暴露弧與屏蔽弧的范圍，是葉片電氣幾何法計(jì)算的基礎(chǔ)。為驗(yàn)證模型的有效性，對(duì)實(shí)際雷擊風(fēng)機(jī)葉片的過程進(jìn)行簡(jiǎn)化，在華北電科院沙河試驗(yàn)站開展了實(shí)體風(fēng)機(jī)葉片的長(zhǎng)間隙放電實(shí)驗(yàn)，尋找暴露弧與屏蔽弧分界處位置。實(shí)驗(yàn)原理圖如圖12所示，風(fēng)機(jī)葉片采用sinoma45.2b-1.5mw葉片的前五米(只有葉尖接閃器)，與地面的夾角θ約為30°，利用棒狀上電極模擬雷電下行先導(dǎo)，沿圖中箭頭所示方向以0.75米為步長(zhǎng)從葉尖正上方開始移動(dòng)，尋找50％接閃率上電極位置，此位置可認(rèn)為是暴露弧與屏蔽弧分界處。沖擊電壓采用250/2500μs負(fù)極性操作波。數(shù)碼相機(jī)采用長(zhǎng)曝光方式記錄放電路徑，來判定葉片防雷系統(tǒng)接閃成功與失敗，其中接閃成功包括擊中葉尖接閃器尖端、接閃器側(cè)面和滑閃擊中接閃器，如圖13(a)、(b)、(c)所示；接閃失敗為擊中葉身，沒有經(jīng)過接閃器泄流，如圖13(d)所示。

在每個(gè)上電極位置進(jìn)行20次放電實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪制其擬合曲線如圖14綠色曲線所示，若取概率50％處為屏蔽弧與暴露弧的交界處，其值約為2.3m。采用本發(fā)明介紹的風(fēng)機(jī)葉片電氣幾何模型，得到該種情況下暴露弧與屏蔽弧的分界處在1.8125m處，兩者誤差為0.4875m，相對(duì)于實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差δ：

δ＝|lc-le|/le×100％＝21％

其中l(wèi)c、le分別為計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)擬合值。

在所計(jì)算的屏蔽弧范圍內(nèi)(0～1.8m)與實(shí)驗(yàn)擬合曲線的最大誤差約為19％，但平均誤差只有3％左右。在暴露弧范圍內(nèi)(>1.8m)，模型將接閃成功率低于一定值當(dāng)作完全不能防護(hù)處理，保證了葉片電氣幾何模型的保護(hù)域度，但在過渡區(qū)域內(nèi)有一定的誤差。

從整體上看，計(jì)算曲線與實(shí)驗(yàn)擬合曲線形狀接近，具有一定的保護(hù)域度，只有在過渡區(qū)域存在一定誤差。實(shí)驗(yàn)證明了本發(fā)明風(fēng)機(jī)葉片電氣幾何模型的有效性。

需要說明是，實(shí)驗(yàn)條件與真實(shí)風(fēng)機(jī)的雷擊環(huán)境難免存在差別，實(shí)驗(yàn)與實(shí)際情況的等效性仍需要驗(yàn)證，但所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)一定程度上證明了本發(fā)明方法的可靠性。

以上所述僅為本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請(qǐng)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。