一种碳梁叶片防雷系统评估仿真方法与流程

本发明涉及风电防雷，特别是一种碳梁叶片防雷系统评估仿真方法。

背景技术：

1、风机叶片的雷击防护问题一直是风电系统安全运行关注的焦点。但随着风电能源的发展，风电机组不断朝着越来越大型化的方向发展，塔筒高度和叶片长度也正朝着更高更长的方向发展，随之不断增加，叶片遭受雷击的机率也越来越大，那么风机叶片防雷能力的可靠性就显得越来越重要。一旦风机叶片防雷接闪系统的雷击防护失效，将极有可能导致叶片受损，甚至损毁叶片，严重威胁风电场的安全稳定运行。为了有效解决风机叶片雷击防护失效造成叶片受损的问题，对风机叶片叶片的防雷系统开展防雷仿真设计和计算验证是非常由必要的，能大大降低风机叶片雷击受损的风险。

2、目前行业内碳梁叶片的防雷系统均依据经验法与实物测试法进行设计，包括金属网的覆盖范围、接闪器的数量、位置分布等设计内容。经验法设计的碳梁叶片防雷系统，没有具体数据和可视化、可量化的内容作为依托，存在设计过程不确定性因素多、失败风险大的不足；实物测试法设计的碳梁叶片防雷系统存在成本高、周期长的缺点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述不足，提供一种碳梁叶片防雷系统评估仿真方法，能设计最优的风机叶片防雷金属网方案，评估风机叶片金属网传导电流的有效性和合理性，确定风机叶片防雷导体的选材规格和最优连接结构设计方案。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种碳梁叶片防雷系统评估仿真方法，它包括以下步骤：

4、步骤s1、碳梁叶片防雷仿真分析：在comsol软件中建立碳梁叶片防雷仿真模型，采用稳态计算得到叶片在雷击环境中的电场强度分布和电势分布，从而判断叶片雷击附着情况，并通过分析叶片金属网的各处场强和?；し段?，反复重新建立仿真模型，确定最优的叶片防雷金属网设计；

5、步骤s2、碳梁叶片叶尖部分雷击仿真分析：在comsol软件中建立碳梁叶片叶尖部分雷击仿真模型，采用雷击电流仿真瞬态计算得到雷击电流在叶片结构中的分布和传导情况，进而评估金属网传导电流的有效性和合理性，并采用雷击温升仿真瞬态计算得到雷击后导体各个部位的温度，进行温升分析，从而确定防雷导体的选材规格和最优连接结构设计。

6、进一步地，所述步骤s1具体包括：

7、步骤s11、在comsol软件中构建碳梁叶片三维模型，对叶片的面、体进行几何优化，将各初始设计位置的接闪器模型布局到叶片三维模型中，并对所有的三维模型各部件进行材料属性参数配置；

8、步骤s12、在comsol软件中进行叶片防雷仿真设置，设定仿真物理场边界和仿真体网格区域；

9、步骤s13、在comsol软件中进行叶片防雷仿真计算，采用稳态计算得到叶片在雷击环境中的电场强度分布和电势分布，进而获得风机叶片不同位置处上行先导起始发展情况，通过上行先导的起始发展情况判断风机不同位置遭受雷击概率，并在雷击概率大的区域敷设防雷金属网；

10、步骤s14、根据叶片防雷仿真结果，分析叶片金属网的各处场强和?；し段?，反复设计不同覆盖长度的防雷铜网，重新建立仿真模型与仿真计算，对比分析金属网的?；ばЧ?，确定最优的防雷金属网设计。

11、进一步地，所述步骤s2具体包括：

12、步骤s21、在comsol软件中构建碳梁叶片叶尖部分(叶尖接闪器、金属网、引下线)模型，设定雷击点、雷击电流、网格区域；

13、步骤s22、在comsol软件中进行叶片叶尖部分雷击电流仿真计算，采用瞬态计算，得到雷击电流在叶片结构中的分布情况，并在接闪器、金属网、引下线等处设置电流监测点，通过雷击时长范围内进行雷击电流积分，分析得到雷击总电流在各器件上的分布，评估防雷金属网传导电流的有效性和合理性；

14、步骤s23、在comsol软件中构建碳梁叶片的叶尖接闪器、叶身各级连接结构、引下线模型，设定金属材料导电特性、雷击点、雷击电流；

15、步骤s24、在comsol软件中进行叶片叶尖部分雷击温升仿真计算，采用瞬态计算，得到雷击后导体各个部位的温度，分析温升是否会导致导体熔化损坏，从而确定防雷导体的选材规格，并通过进行不同的导体连接结构设计以及遭受雷击时产生的最高温度，来选定最佳的导体连接方式。

16、进一步地，所述步骤s12在comsol软件中进行叶片防雷仿真设置物理场边界时，空气域的上下表面分别设置高压边界(v＝100kv)和接地边界(v＝0v)，空气电阻率设置为0.001s/m。

17、进一步地，步骤s12或步骤s21中，在comsol软件中进行仿真体网格区域设定时，需遵循以下条件：

18、必须满足最小网格尺寸小于模型的最小尺寸；

19、必须先对仿真件表面进行剖分，再以仿真件表面为基按照一定的增长率向内和向外扩展，直至模型的最外边界，遇到交界面时网格增长率需先变小，过了交界面增长率再变大；

20、必须按照点、线、面、体的顺序去设计网格，以减少冗余网格，提高计算效率及精度。

21、进一步地，步骤s13在comsol软件中进行叶片防雷仿真计算时，根据雷击原理“叶片电场强度越高区域，越容易形成雷电上行先导被击中”和雷击附着点仿真结果，将叶尖场强最大处的数值作为e_max，并采用e_normalization＝e/e_max公式对叶片叶根至叶尖金属网边缘各处的场强数值进行归一化处理，分析金属网各处场强和?；し段?。

22、进一步地，步骤s21、步骤s23在comsol软件中进行叶片叶尖部分雷击仿真雷击点设定时，根据雷击附着点仿真分析，确定主要雷击位置为叶尖接闪器和叶尖侧的金属网边缘，仿真中设定叶尖接闪器为雷击点。

23、进一步地，步骤s21、步骤s23在comsol软件中进行叶片叶尖部分雷击仿真雷击电流设定时，采用200ka?10/350us雷击电流公式作为输入：

24、

25、其中，i为电流峰值，k为电流峰值校正系数，t为时间，t1为波头时间，t2为半峰值时间。

26、进一步地，步骤s22在comsol软件中进行叶片叶尖部分雷击电流仿真瞬态计算时，分析雷电流的电流分布和感应电磁场，需要考虑趋肤效应现象和电磁感应现象，通过求解磁矢势a进而统一求解电流密度j、电场强度e、电位移矢量d、磁场强度h和磁通密度b。

27、进一步地，步骤s24在comsol软件中进行叶片叶尖部分雷击温升仿真瞬态计算时，分析雷击引起的温升，需要电磁场与传热场应的双向耦合影响。

28、本发明有益效果：

29、1、本发明能设计最优的风机叶片防雷金属网方案，评估风机叶片金属网传导电流的有效性和合理性，确定风机叶片防雷导体的选材规格和最优连接结构设计方案。

30、2、本发明采用comsol多物理场软件，对叶片的防雷系统进行仿真设计和计算验证，代替传统的经验设计法，能够以仿真计算的数据结果作为依托，对防雷效果进行判断、择优。

31、3、本发明根据雷电原理，利用comsol的电流?？?，分析对比叶片本体和防雷系统的电场强度，确认防雷系统的?；し段Ш妥罴逊桨?。

32、4、本发明根据焦耳定律，利用comsol的磁场?？?，分析雷击后导体各个部位的温度，确认导体是否熔化损坏，以此确定防雷系统导体的选材规格。

33、5、本发明还利用comsol的磁场?？?，分析雷电流在接闪器、引下线、金属网、碳梁中的分布情况，验证防雷系统的电流传导可靠性。