Dieses Beispiel veranschaulicht einen Bereich der Analyse von Blitzeinschlägen, indem es die Auswirkung von Feldern zeigt, die im Inneren der Gondel eines vereinfachten Windturbinengenerators für verschiedene Einschlagsorte entstehen. Das Beispiel folgt der Arbeit, die in diesem Papier durchgeführt wurde:
A. Amentani und K. Yamamoto, "A Study of Transient Magnetic Fields in a Wind Turbine Gacelle," 2010 Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Beijing, China, April 2010.
In diesem Fall wird die Windturbine durch einen einfachen, perfekt leitenden Turm dargestellt, der auf einem in verlustreichem Boden eingebetteten Sockel steht. Der Turm ist 60 Meter hoch und die Turbinenblätter sind jeweils 40 Meter lang. Die Gondel besteht aus einem Glasfasermaterial, das einen Metalldrahtrahmen bedeckt. Die Geometrie der Windturbine ist in Abbildung 1 dargestellt, wobei die vertikale Richtung Z und die Längsachse der Gondel Y ist. Es wird ein FDTD-Gitterraum erstellt, um die Turbine in einem würfelförmigen 0,5-m-Gitter mit den Gesamtabmessungen von 100 x 100 x 230 m zu halten.
Abbildung 1: Dreidimensionale CAD-Ansicht des Windkraftturms über einem verlustreichen Boden. Der Turm ist 60 Meter hoch und jedes Blatt 40 Meter lang. Die vertikale Achse ist Z und die Längsachse der Gondel ist Y.
Um den Blitzschlag darzustellen, wird eine Stufenwellenform mit einer Anstiegszeit von 1 µs 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 Draht verbunden, der bis zur äußeren Begrenzung des FDTD-Simulationsraums reicht. Die Stromquelle ist an der Windturbine an zwei Stellen angebracht, die die häufigsten Blitzeinschlagstellen darstellen: oben am Propellerblatt und hinten an der Gondel. In Abbildung 2 ist die Stromquelle an der Rückseite der Gondel hellrot hervorgehoben, wobei sich der lange Draht bis zur äußeren Begrenzung darüber erstreckt. Für diese Übung wird die Amplitude der Quelle so eingestellt, dass ein Strom von 1 A in die Turbine fließt.
Abbildung 2: Der Ort der Stromquelle ist für diesen Fall, in dem der Blitz auf der Rückseite der Gondel einschlägt, in leuchtendem Rot dargestellt.
Die Auswirkungen des Blitzeinschlags werden durch die Überwachung der Magnetfelder an mehreren Messpunkten innerhalb der Gondel gemessen. In Abbildung 3 sind vier Messpunkte dargestellt: symmetrisch um den Verbindungspunkt der Rotorblätter, in der Nähe der Mitte über dem Turm und an der Rückseite der Gondel. Zusätzlich werden zwei Ebenen der transienten Magnetfelder zu einigen Zeitpunkten gespeichert.
Abbildung 3: Die inneren Probepunkte sind in Bezug auf die Gondelgeometrie dargestellt. Drei der Punkte liegen in einer Linie von vorne nach hinten im Inneren der Gondel.
Die Simulationen werden für eine Gesamtzeit von 3 µsec durchgeführt, um den anfänglichen Anstieg der Wellenform und die Entstehung der Felder zu zeigen. Abbildung 4 zeigt den Strom, der durch die Quelle und in die Windturbine fließt. In Abbildung 5 sind die Magnetfelder in X-, Y- und Z-Richtung in der Mitte der Gondel für den Fall eines Schlags auf das obere Blatt aufgetragen. In Abbildung 6 sind die Magnetfelder am gleichen Punkt für einen Blitzeinschlag auf der Rückseite der Gondel dargestellt. Wie zu erkennen ist, sind die Werte für den Einschlag am Blatt deutlich höher. Die höhere Feldstärke für den Blatteinschlag wird auch durch den Vergleich von Abbildung 7 mit Abbildung 8 deutlich, in der Punkte in 0,5 m Entfernung von den eingeschlagenen Außenkanten der Gondel verglichen werden. In Abbildung 7 ist ein Punkt in der Nähe der Blätter für einen Blattschlag aufgetragen und zeigt Feldstärken, die bei 0,18 A/m ihren Höhepunkt erreichen. Abbildung 8 zeigt das Magnetfeld an einem Punkt in der Nähe der Rückseite der Gondel bei einem Aufprall an der Rückseite und die Spitzenwerte liegen bei etwa 0,035 A/m. Die Abbildungen 9 und 10 zeigen die Querschnittsansicht der transienten Magnetfelder zum gleichen Zeitpunkt für jeden Einschlagspunkt. In Abbildung 9 sind die Felder, die den Strompfad vom Blatt durch das Gondelgehäuse zum Turm umgeben, innerhalb der Gondel stärker als die Felder des hinteren Einschlags in Abbildung 10. Die Schlussfolgerung der Autoren der Originalarbeit war daher, die Abschirmung an der Vorderseite der Gondel zu erhöhen, um die induzierten Felder zu reduzieren. Zu Testzwecken wurde eine PEC-Platte über das Ende der Gondel gelegt, das den Rotorblättern am nächsten liegt, und die Simulation wurde erneut durchgeführt. In Abbildung 11 ist zu erkennen, dass die Feldstärke, die als Betrag und nicht als einzelne Komponenten aufgetragen ist, durch die zusätzliche Abschirmung verringert wird.
Abbildung 4: Die Wellenform des Eingangsstroms, der als Blitzschlagquelle dient, ist aufgezeichnet.
Abbildung 5: Dargestellt sind die Magnetfelder in X-, Y- und Z-Richtung im Inneren der Gondel am mittleren Probenahmepunkt über dem Turm für einen Blattspitzenaufschlag. Diese Felder weisen höhere Amplituden auf als die, die bei einem Schlag von hinten entstehen.
Abbildung 6: Dargestellt sind die Magnetfelder in X-, Y- und Z-Richtung im Inneren der Gondel am mittleren Messpunkt, der sich über dem Turm befindet, für einen Auftreffpunkt an der Rückseite der Gondel. Diese Felder weisen geringere Amplituden auf als die, die bei einem rückwärtigen Einschlag entstehen.
Abbildung 7: Die Magnetfelder 0,5 m innerhalb der Vorderseite der Gondel sind für einen Schlag auf die Blattspitze dargestellt.
Abbildung 8: Die Magnetfelder 0,5 m innerhalb der Rückseite der Gondel sind für einen Schlag auf die Rückseite der Gondel dargestellt.
Abbildung 9: Die planaren Magnetfelder im Zeitbereich sind im Querschnitt der Gondel für einen Schlag auf die Blattspitze dargestellt.
Abbildung 10: Die planaren Zeitbereichs-Magnetfelder sind im Querschnitt der Gondel für einen Schlag auf die Rückseite der Gondel dargestellt.
Abbildung 11: Die Abbildung zeigt einen Vergleich der magnetischen Feldstärke (Größe) am Sensorpunkt b in der Mitte der Gondel für den ursprünglichen Fall, dass die Blattspitze auftrifft, und für den abgeschirmten Fall, bei dem eine PEC-Platte über dem Gondelende, das den Blättern am nächsten ist, angebracht wurde. Die Abschirmung reduziert erwartungsgemäß die Magnetfelder im Inneren der Gondel, aber eine zusätzliche Abschirmung an den Seiten der Gondel wird wahrscheinlich notwendig sein, um die inneren Felder deutlich zu reduzieren.
