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风力涡轮机遭雷击 | Remcom

作者:管理员| Feb 15, 2017 6:07:00 PM

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本示例展示了照明撞击分析的一个方面,即简化风力涡轮发电机机舱内产生的场对不同撞击位置的影响。该示例沿用了论文中的工作方法:

A.Amentani 和 K. Yamamoto,"风力涡轮机机舱瞬态磁场研究",2010 年亚太电磁兼容性国际研讨会,中国北京,2010 年 4 月。

在这种情况下,风力涡轮机由一个简单、完全导电的塔架表示,塔架安装在嵌入有损地面的基座上。塔高 60 米,涡轮叶片长 40 米。机舱由玻璃纤维材料和金属丝框架组成。风力涡轮机的几何形状如图 1 所示,垂直方向为 Z 轴,机舱长轴为 Y 轴。我们创建了一个 FDTD 网格空间,将涡轮机固定在总尺寸为 100 x 100 x 230 米的 0.5 米立方体网格中。

图 1:风力涡轮机塔架在有损地面上的三维 CAD 视图。塔高 60 米,每个叶片长 40 米。垂直轴为 Z 轴,机舱长轴为 Y 轴。

为了表示雷击,将一个上升时间为 1 µsec 的阶跃波形作为电流源与一个 500 欧姆的电阻器并联。该波形以用户定义源的形式创建,并导入XFdtd。电流源连接到一根延伸至 FDTD 仿真空间外部边界的长导线上。电流源连接到风力发电机的两个位置,这两个位置代表了最常见的雷击位置:螺旋桨叶片顶部和机舱后部。在图 2 中,电流源以鲜红色标出,位于机舱后部,长导线延伸至其上方的外部边界。在本练习中,电流源的振幅被调整为流入涡轮机的 1 A 电流。

图 2:在这种情况下,电流源位置以鲜红色显示,雷击发生在机舱后部。

通过监测机舱内多个取样点的磁场来衡量雷击的影响。图 3 显示了以下四个采样点:叶片连接点周围的对称点、塔架上方中心附近以及机舱后部。此外,在几个时间点还保存了两个平面的瞬态磁场。

图 3:内部样本点与机舱几何形状的关系图。其中三个点位于机舱内从前到后的一条线上。

模拟的总时间为 3 微秒,以显示波形的初始上升和磁场的产生。图 4 显示了流经源并进入风力涡轮机的电流。在图 5 中,绘制了顶部叶片受到冲击时机舱中心 X、Y 和 Z 方向的磁场。在图 6 中,在同一位置绘制了机舱后部遭受雷击时的磁场。可以看出,叶片上的雷击值明显更高。通过比较图 7 和图 8 中距机舱外缘 0.5 米处的点,可以进一步证明叶片遭受雷击时的磁场强度更高。在图 7 中,靠近叶片的点绘制了叶片撞击图,并显示出峰值约为 0.18 A/m 的磁场强度。图 8 显示了机舱后部受到撞击时机舱后部附近一点的磁场,峰值约为 0.035 A/m。图 9 和图 10 显示了每个撞击点在同一时刻的瞬态磁场截面图。在图 9 中,从叶片通过机舱外壳到塔架的电流路径周围的磁场在机舱内比图 10 中显示的后部撞击的磁场更强。因此,原论文作者得出的结论是增加机舱前部周围的屏蔽以减少感应电场。作为测试,在机舱最靠近叶片的一端放置了一块 PEC 片,并重新进行了模拟。从图 11 中可以看出,增加屏蔽后,场强(以幅值而非单个分量绘制)有所降低。

图 4:雷击源输入电流波形图。

图 5:所示为叶片尖端撞击点时,位于塔架上方中心取样点的机舱内 X、Y 和 Z 方向的磁场。这些磁场的振幅高于后部撞击产生的磁场。

图 6:所示为机舱后部撞击点时,位于塔架上方中心取样点的机舱内 X、Y 和 Z 方向的磁场。这些磁场的振幅低于后部撞击产生的磁场。

图 7:位于机舱前部 0.5 米处的磁场显示了叶片尖端受到撞击时的情况。

图 8:位于机舱后部 0.5 米内的磁场显示了机舱后部受到的撞击。

图 9:叶片尖端受到撞击时机舱横截面上的平面时域磁场。

图 10:机舱横截面上的平面时域磁场显示了机舱后部的撞击情况。

图 11:所示为机舱中心传感器 b 点的磁场强度(幅值)比较,分别为叶片尖端撞击的原始情况和在离叶片最近的机舱端部加装 PEC 板的屏蔽情况。防护罩可减少机舱内部的磁场,但要显著减少内部磁场,可能需要在机舱两侧增加防护罩。