Blitzeinschlag auf die Windkraftanlage

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Dieses Beispiel zeigt einen Bereich der Streikanalyse, indem es die Auswirkungen von Feldern innerhalb der Gondel eines vereinfachten Windkraftgenerators für verschiedene Streuorte zeigt. Das Beispiel folgt der Arbeit im Papier:

A. Amentani und K. Yamamoto, "A Study of Transient Magnetic Fields in a Wind Turbine Gondel,". Internationales Symposium zur elektromagnetischen Verträglichkeit 2010 in der Region Asien-PazifikPeking, China, April 2010.

In diesem Fall wird die Windturbine durch einen einfachen, perfekt funktionierenden Turm repräsentiert, der auf einer Basis montiert ist, die in verlustbehafteten Boden eingebettet ist. Die Turmhöhe beträgt 60 Meter und die Turbinenschaufeln sind jeweils 40 Meter lang. Die Gondel besteht aus einem Glasfasermaterial, das einen Metalldrahtrahmen bedeckt. Die Geometrie der Windturbine ist in Figur 1 dargestellt, wobei die vertikale Richtung Z und die Längsachse der Gondel Y ist. Es wird ein FDTD-Gitterraum geschaffen, um die Turbine in einem kubischen 0,5 m Raster mit Gesamtabmessungen von 100 x 100 x 100 x 230 m zu halten.

Zur Darstellung des Blitzeinschlags wird eine Stufenwellenform mit einer Anstiegszeit von 1 µsec als Stromquelle parallel zu einem 500 Ohm Widerstand angelegt. Die Wellenform wird als benutzerdefinierte Quelle erstellt und in XFdtd importiert. Die Stromquelle ist mit einem langen Kabel verbunden, das sich bis zur Außengrenze des FDTD-Simulationsraums erstreckt. Die Stromquelle ist an zwei Stellen an der Windturbine befestigt, die die häufigsten Blitzeinschläge darstellen: oben auf dem Propellerblatt und hinten auf der Gondel. In Figur 2 ist die Stromquelle auf der Rückseite der Gondel hellrot markiert, wobei sich der lange Draht bis zur Außengrenze darüber erstreckt. Für diese Übung wird die Quellamplitude so eingestellt, dass ein 1 A Strom in die Turbine fließt.

Die Auswirkungen des Blitzeinschlags werden durch die Überwachung der Magnetfelder an mehreren Probenstellen innerhalb der Gondel gemessen. In Figur 3 sind vier Abtastpunkte dargestellt, die wie folgt sind: symmetrisch um den Verbindungspunkt der Blätter, nahe der Mitte über dem Turm und an der Rückseite der Gondel. Zusätzlich werden in wenigen Fällen zwei Ebenen mit transienten Magnetfeldern gespeichert.

Abbildung 1

Dreidimensionale CAD-Ansicht des Windturms über einem verlustreichen Gelände. Der Turm ist 60 Meter hoch und jedes Blatt 40 Meter lang. Die vertikale Achse ist Z und die Längsachse der Gondel ist Y.

Abbildung 2

Der aktuelle Quellstandort ist in diesem Fall hellrot dargestellt, wenn der Blitzeinschlag auf die Rückseite der Gondel angewendet wird.

Abbildung 3

Die inneren Abtastpunkte werden in Bezug auf die Gondelgeometrie dargestellt. Drei der Punkte befinden sich in einer Linie von vorne nach hinten innerhalb der Gondel.

Die Simulationen werden für eine Gesamtzeit von 3 µsec durchgeführt, um den anfänglichen Anstieg der Wellenform und die Erzeugung der Felder zu zeigen. Abbildung 4 zeigt den Strom, der durch die Quelle und in die Windturbine fließt. In Figur 5 sind die Magnetfelder in X-, Y- und Z-Richtung in der Mitte der Gondel für den Fall eines Streichens auf das obere Blatt dargestellt. In Abbildung 6 werden die Magnetfelder an der gleichen Stelle für einen Blitzeinschlag auf der Rückseite der Gondel dargestellt. Wie man sieht, sind die Werte für den Schlag auf das Blatt deutlich höher. Die höhere Feldstärke für den Flügelschlag wird durch den Vergleich von Figur 7 mit Figur 8 weiter demonstriert, wobei Punkte, die 0,5 m von den getroffenen Außenkanten der Gondel entfernt sind, verglichen werden. In Abbildung 7 ist ein Punkt in der Nähe der Schaufeln für einen Schaufelschlag dargestellt und zeigt Feldebenen, die um 0,18 A/m Höhepunkt erreichen. Abbildung 8 zeigt das Magnetfeld an einem Punkt nahe der Rückseite der Gondel während eines Sturzes auf der Rückseite und die Spitzenwerte liegen bei etwa 0,035 A/m. Die Figuren 9 und 10 zeigen die Querschnittsansicht der transienten Magnetfelder zum gleichen Zeitpunkt für jeden Anschlagpunkt. In Abbildung 9 sind die Felder, die den Stromweg von der Schaufel durch das Gondelgehäuse zum Turm umgeben, innerhalb der Gondel stärker als die des in Abbildung 10 dargestellten hinteren Schlages. Die Schlussfolgerung der Autoren des Originalpapiers lautete daher, die Abschirmung um die Vorderseite der Gondel zu erhöhen, um die induzierten Felder zu reduzieren. Als Test wird ein PEC-Blatt über das Ende der Gondel gelegt, das den Blades am nächsten liegt, und die Simulation wird erneut ausgeführt. In Abbildung 11 ist zu sehen, dass die Feldstärke, die nicht als einzelne Komponenten, sondern als Größe dargestellt wird, durch Hinzufügen des Schildes reduziert wird.

Abbildung 4

Die Wellenform des Eingangsstroms, der als Blitzeinschlagquelle angelegt wird, wird aufgezeichnet.

Abbildung 5

Gezeigt werden die Magnetfelder in X-, Y- und Z-Richtung innerhalb der Gondel am zentralen Abtastpunkt, der sich über dem Turm für einen Schaufelspitzenstoßpunkt befindet. Diese Felder weisen höhere Amplituden auf als die, die durch einen Heckaufprall erzeugt werden.

Abbildung 6

Gezeigt werden die Magnetfelder in X-, Y- und Z-Richtung innerhalb der Gondel am mittleren Abtastpunkt, der sich über dem Turm für eine Rückseite des Gondelanschlagspunktes befindet. Diese Felder weisen geringere Amplituden auf als die, die durch einen Heckaufprall erzeugt werden.

Abbildung 7

Die Magnetfelder, die sich 0,5 m innerhalb der Vorderseite der Gondel befinden, sind für einen Schlag auf die Blattspitze dargestellt.

Abbildung 8

Die Magnetfelder, die sich 0,5 m innerhalb der Rückseite der Gondel befinden, sind für einen Angriff auf die Rückseite der Gondel dargestellt.

Abbildung 9

Die planaren Magnetfelder im Zeitbereich sind im Querschnitt der Gondel für einen Schlag auf die Schaufelspitze dargestellt.

Abbildung 10

Die planaren Magnetfelder im Zeitbereich sind im Querschnitt der Gondel für einen Schlag auf die Rückseite der Gondel dargestellt.

Abbildung 11

Gezeigt wird ein Vergleich der Magnetfeldstärke (-größe) an der Sensorspitze b in der Mitte der Gondel für das Originalgehäuse des Klingenspitzenstosses und für das geschirmte Gehäuse, in dem eine PEC-Platte über dem den Klingen nächstgelegenen Gondelende angebracht ist. Die Abschirmung reduziert die Magnetfelder innerhalb der Gondel wie erwartet, aber eine zusätzliche Abschirmung an den Seiten der Gondel ist wahrscheinlich notwendig, um die inneren Felder deutlich zu reduzieren.