高速旋转物放电过程多参量同步观测平台及方法与流程

1.本发明属于高压放电观测试验技术领域，具体涉及一种高速旋转物放电过程多参量同步 观测平台及方法。


背景技术：

2.据统计，中国风场因雷击造成的叶片受损率高达1％，部分高雷暴区可达5％，保守估计 每年因雷击造成的叶片损伤高达3000片。为了提高风能利用效率，风机单机容量增大，其高 度不断增加(兆瓦级风机叶尖最大离地高度已超过了200m)，叶片遭受雷击的概率和损坏风 险也大幅增加，现代大容量风机叶片雷击损坏率较二十年前的小容量风机增加了5倍以上。
[0003][0004]
风机在遭受雷击时，叶片常处于旋转状态。对于兆瓦级风机，其叶尖最大离地高度已超 过200m，叶尖线速度能达到100m/s以上。由于雷击持续时间一般在几十到上百毫秒，在整 个雷击放电期间叶片将产生不可忽略的空间位移。高速旋转势必会导致的空间电晕放电电荷 分布存在差异，而电荷分布的变化又可能进一步影响上行先导放电的起始与发展，最终导致 旋转风机的接闪特性与普通静止的目标物不同。目前已有研究人员开展了缩比旋转风机的长 间隙接闪放电试验观测，然而目前的研究只能获得不同旋转状态和间隙长度下击穿电压、电 流以及放电通道形态等宏观放电数据，无法旋转叶片叶尖初始电晕以及后续上行先导发展的 微观过程，导致旋转风机雷击接闪的物理过程尚不明确。因此亟需开展旋转风机叶尖放电过 程多参量同步观测试验，以厘清其接闪特性，这对风机雷电防护十分重要。
[0005]
目前已有研究人员对静止的典型间隙放电特性开展过放电试验，放电间隙是静止的，因 此观测较为方便，然而由于旋转风机叶片处于高速旋转状态，各类观测装置无法随之保持相 对静止，因此尚未见有对旋转叶片叶尖放电的观测试验。此外，目前的放电观测手段多仅有 电压、电流、放电通道形貌观测等，尚不全面。因此，为了揭示风机雷击接闪物理工程，必 须针对风机高速旋转的特点，搭建旋转叶尖放电过程的多参量同步观测平台，并设计一套完 善的试验方案。


技术实现要素：

[0006]
针对高速旋转目标物放电过程，本发明提供一种高速旋转物放电过程多参量同步观测平 台及试验方法，实现对高速旋转目标物放电的静态观测，能够还原高速旋转风机叶片雷击放 电的物理过程。
[0007]
根据本发明实施例的一方面，提供一种高速旋转物放电过程多参量同步观测平台，包括：
[0008]
风洞平台，所述风洞平台包括：形成初始气流的动力段、将初始气流扩散的扩散段、使 扩散后的气流稳定的稳定段、将稳定后的气流进一步收缩的收缩段、将收缩后的气
流变成稳 定弧形气流的试验段，所述试验段底部设置引导气流流动的弧形引流板，所述试验段的进风 口和出风口之间的部分向上扩张形成突出的空腔；
[0009]
试验电极，包括：
[0010]
上板电极，所述上板电极固定在所述空腔上端以模拟雷云，所述上板电极连接直流叠加 冲击的高压电源；
[0011]
下板电极，所述下板电极固定在所述引流板下方以模拟大地；和
[0012]
棒电极，所述棒电极部分伸出所述引流板外处于弧形气流中以模拟高速旋转物，其余部 分在所述引流板的内部，所述棒电极与所述下板电极通过绝缘垫片隔绝并各自接地；以及
[0013]
同步观测系统，用于对放电过程的电压、电流、紫外光子分布、先导发展过程、放电通 道形貌、放电通道温度和压力参数中的一种或几种进行同步观测。
[0014]
在一些示例中，所述动力段采用通风机形成初始气流，所述稳定段具有多层蜂窝稳流网， 所述试验段的所述空腔与靠近所述进风口的部分采用直角连接，与靠近所述出风口的部分采 用圆角连接。
[0015]
在一些示例中，所述试验段采用亚克力材料制成，所述引流板采用环氧树脂制成。
[0016]
在一些示例中，所述上板电极通过长度可调的金属固定杆固定在所述空腔上端，所述上 板电极边缘上翘处理，所述棒电极端部圆角处理，所述棒电极伸出所述引流板的位置可调。
[0017]
在一些示例中，所述电源包括能够单独或叠加使用的直流电源和冲击电源，所述直流电 源出口设置反向保护硅堆，所述冲击电源在触发球隙与波尾电阻之间串联波尾球隙。
[0018]
在一些示例中，通过高压探头连接至所述上板电极测量放电电压，通过示波器采集电压 信息，所述示波器设置电平自动触发，并且输出同步触发信号。
[0019]
在一些示例中，由所述由示波器提供的同步触发信号触发电流测量，其中通过采集与所 述棒电极连接的无感电阻上电压后换算成电流，经过电光/光电转换器将电流数据传至计算机 存储。
[0020]
在一些示例中，采用紫外成像仪拍摄电晕放电过程中所述棒电极附近紫外光子分布图， 采用高速摄影仪拍摄先导放电发展过程，采用单反相机拍摄先导放电通道形貌，所述高速摄 影仪由所述由示波器提供的同步触发，所述紫外成像仪和所述单反相机自触发。
[0021]
在一些示例中，采用纹影系统测量放电过程中的温度变化，所述纹影系统通过激光在密 度不同的空气之间折射率不同，折算到激光在cmos高速相机上的偏移量，进而推算密度变 化，根据密度反演不同区域的温度以分析先导流注转化的热力学条件，所述纹影系统由所述 由示波器提供的同步触发。
[0022]
根据本发明实施例的另一方面，提供一种旋转风机叶尖放电过程多参量同步观测方法， 利用所述的观测平台进行观测，具体包括以下步骤：
[0023]
s1、开启所述风洞平台，调节风速至设定值；
[0024]
s2、研究风速、电压形式和叶片旋转位置对叶尖电晕放电的影响：
[0025]
s2-1、启动所述电源的直流电源，逐步升压至所述棒电极开始发生电晕放电；
[0026]
s2-2、手动触发所述示波器，获得当时电压波形，同时所述示波器输出同步触发电
平。
[0027]
s2-3、记录并保存全所述同步观测系统测量数据；
[0028]
s2-4、恢复所述同步观测系统状态，重复s2-2至s2-3多次，记录数据；
[0029]
s2-5、改变风速大小，重复s2-2至s2-4；
[0030]
s2-6、关闭所述直流电源，调节风速至设定值，开启所述电源的冲击电源开始充电；
[0031]
s2-7、将所述示波器调至待触发状态，采用高压电压触发，确保该触发值下，所述棒电 极已经开始电晕放电；
[0032]
s2-8、点火触发所述冲击电源，记录所述同步观测系统参数；
[0033]
s2-9、改变风速大小，重复s2-7至s2-8；
[0034]
s2-10、更改所述棒电极在所述引流板表面的角度，重复s2-1至s2-9；
[0035]
s3、研究风速、电压形式和叶片旋转位置对叶尖接闪放电的影响：
[0036]
s3-1、恢复所述同步观测系统状态，调整所述上板电极与所述棒电极之间间隙到设定值， 关闭所述风洞平台，开启所述冲击电源的开始充电，选定适当电压幅值，触发点火放电，记 录间隙放电状态。
[0037]
s3-2、不断重复s3-1，直至找到某一冲击电压幅值能够使得间隙击穿，试验中选取冲击 电压幅值略超过此电压值；
[0038]
s3-3、开启所述风洞平台，调节风速至设定值；
[0039]
s3-4、开启所述冲击电源开始充电，选定适当电压幅值；
[0040]
s3-5、将所述示波器调至待触发状态，采用高压电压触发，将所述同步观测系统其余观 测设备调至待触发状态；
[0041]
s3-6、点火触发；
[0042]
s3-7、记录所述同步观测系统数据，恢复所述同步观测系统状态；
[0043]
s3-8、改变风速大小，重复s4-4至s4-7；
[0044]
s3-9、更改所述棒电极在所述引流板表面的角度，重复s3-3至s3-8，研究模拟叶尖旋 转位置对放电影响；
[0045]
s3-10、研究电压形式对放电的影响，在开启所述冲击电源开始充电之前，首先打开所述 直流电源，保证仅考虑直流电压时，所述棒电极发生电晕放电，重复s3-4至s3-9；
[0046]
s4、分析所有测量数据。
[0047]
本发明考虑相对运动，创造性提出采用可产生弧形气流的风洞来模拟风机叶片旋转，建 立了高速转动目标物放电过程的观测平台，该平台可较好模拟出旋转风机叶尖雷击接闪过程， 同时叶片相对外部环境静止，方便实现多参数的同步观测。本发明观测平台采用板-棒-板的 电极结构，更能准确的模拟出雷云背景下风机叶尖附近的电场变化。本发明观测平台的观测 系统测量数据包含电学、光学和热力学参数，同步设置合理，观测数据全面，更能完整反演 旋转风机叶尖雷击放电过程。本发明观测平台提出利用风洞模拟相对运动，可为其他需要考 虑移动目标物的放电过程提供思路。用过本发明提出的旋转风机叶尖放电过程多参量同步观 测试验方法，试验条理清理，所测数据充实且对分析放电过程有重要意义，可实现对不用电 压形式、不同转速、不同叶片位置下的雷击接闪放电物理过程。对风机系统接闪机理和雷电 防护有重要意义。
附图说明
[0048]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
[0049]
图1为本发明一实施例提供的风洞平台示意图。
[0050]
图2为本发明一实施例提供的试验段及试验电极布置图。
[0051]
图3为本发明一实施例提供的直流叠加冲击电源原理图。
[0052]
图4为本发明一实施例提供的多参量同步观测系统布置图。
[0053]
附图标记说明：
[0054]
101-动力段；
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110-第三蜂窝稳流网；
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8-下板电极；
[0055]
102-扩散段；
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111-引流板轮廓；
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9-绝缘垫片；
[0056]
103-稳定段；
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1-试验段进风口；
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10-高压引线；
[0057]
104-收缩段；
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2-引流板；
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11-棒电极接地；
[0058]
105-试验段；
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3-空腔；
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12-下板电极接地；
[0059]
106-排气段；
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4-试验段出风口；
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13-下行放电通道；
[0060]
107-通风机；
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5-棒电极；
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14-上行放电通道；
[0061]
108-第一蜂窝稳流网；
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6-上板电极；
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15-直高发调压器；
[0062]
109-第二蜂窝稳流网；
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7-金属固定杆；
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16-直流高压发生器；
[0063]
17-限流电阻；
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27-波尾电阻；
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38-紫外成像仪；
[0064]
18-保护硅堆；
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28-波头电阻；
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39-单反相机；
[0065]
19-调压器；
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29-波头电容；
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40-led光源；
[0066]
20-工频变压器；
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30-直流电源；
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41-圆形狭缝；
[0067]
21-整流硅堆；
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31-冲击电源；
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42-前透镜；
[0068]
22-整流电阻；
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32-高压探头；
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43-后透镜；
[0069]
23-波尾电容；
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33-示波器；
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44-刀口；
[0070]
24-阻尼电阻；
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34-全电流采集筒；
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45-cmos高速相机；
[0071]
25-触发球隙；
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35、36-电光转化器；
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46-led光源的光。
[0072]
26-波尾球隙；
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37-高速摄影仪；
具体实施方式
[0073]
本发明提供一种高速旋转物放电过程多参量同步观测平台及试验方法。术语“高速旋转 物”包括旋转风机叶尖，但不限定于此。本发明实施例以旋转风机叶尖为例，详细说明所述 观测平台及试验方法。
[0074]
所述观测平台包括风洞平台、试验电极、电源和同步观测系统。所述风洞平台旨在产生 弧形气流，如果叶片在旋转状态，相关观测设备无法与叶尖保持相对静止而难以进行观测。 为模拟叶片旋转时的放电特性，考虑相对运动，利用风洞在模拟叶尖附近产生弧形气流，以 此气流为参考，模拟叶尖可等效为在做旋转。所述试验电极间隙旨在模拟雷云背景与风机叶 片的结构关系，模拟实际风机接闪放电。所述电源可输出直流叠加冲击电压波形，模拟实际 雷云背景电场下雷击放电过程中的雷云电压。所述同步观测系统采用同一触发信号，实现对 放电过程的电压、电流、紫外光子分布、先导发展过程、放电通道形貌、放电
通道温度和压 力参数的同步观测。
[0075]
图1示出了风洞平台，所述风洞平台包括依次连接的动力段101、口径逐渐增大的扩散 段102、稳定段103、口径逐渐缩小的收缩段104、试验段105和排气段106，动力段101内 设有直流通风机107。稳定段103内设有三层蜂窝稳流网108，109，110，需要说明的是本发 明并不限定蜂窝稳流网的层数。试验段105中具有弧形的引流板。直流通风机107在动力段 101内部旋转形成初始气流，扩散段102将初始湍流扩散，扩散后的气流到达稳定段103，在 稳定段103中，经由三层蜂窝稳流网108，109，110，气流变得稳定；稳定后的气流经过收 缩段104进一步收缩后进入试验段105；在试验段105中，气流由引流板引导流动，在其弧 形表面形成稳定的弧形气流，之后经由排气段106排出。所述风洞平台在试验段105提供了 稳定的弧形气流，考虑相对运动，在弧形气流段安装棒电极，棒电极保持不动，即可等效棒 电极在做圆周旋转，以此模拟风机叶片的旋转。
[0076]
图2为模拟旋转风机叶片放电试验布置图。如图2，本发明采用板-棒-板模拟实际风机叶 片在雷云背景下的电场分布。试验段105的进风口1和出风口4之间的部分向上扩张形成突 出的空腔3，用于引导在引流板2表面分离的气流在此形成环流，不干扰引流板2表面稳定 弧形气流。试验段105的空腔3与靠近进风口1的部分采用直角连接，与靠近出风口4的部 分采用圆角连接，进一步保证引流板2表面弧形气流的稳定性。空腔3上端安装有模拟雷云 的上板电极6。上板电极6边缘上翘处理。上板电极6上连接有伸出到空腔3外的金属固定 杆7，金属固定杆7长短可调，外接高压引线10。引导气流流动的弧形引流板2固定在试验 段105底部，引流板2与底部连接处做圆角处理，引导气流沿着表面流动形成同等弧度的弧 形气流。引流板2下方固定有模拟大地的下板电极8。引流板2上安装有棒电极5。棒电极5 部分伸出引流板2，其中伸出部分处于弧形气流中，用以模拟旋转状态下的风机叶片，其余 部分在引流板2的内部。棒电极5可从引流板2伸出3cm到弧形气流中，但不限定于此。棒 电极5端部圆角处理，用以模拟叶尖，棒电极5伸出引流板的位置可调，以模拟叶片转到到 不同角度。为保证测量放电电流时排除位移电流的影响，保证电流测量的准确性，棒电极5 与下板电极8通过绝缘垫片9隔绝并各自单独接地11，12。
[0077]
经过收缩段104的气流从进风口1进入试验段105，在引流板2表面形成弧形气流，同 时部分在此分层的气流向上在空腔3中形成环流，由于空腔3上部封闭，因此在一定时间后， 此环流会达到稳定，此时再由进风口1流入的气流均稳定流过引流板2表面，最后从出风口 4流出。当对高压引线10施加高压时，上板电极6有下行先导13，棒电极5有上行先导14， 两者接触后完成一次放电。
[0078]
此外，试验段105采用亚克力材料制成，保证透明性方便观测。引流板2采用环氧树脂 制成，保证绝缘性能。所述风洞平台的其余部分可采用不锈钢制成。
[0079]
图3为高压电源布置图，所述高压电源包括直流电源30和冲击电源31，两个可单独加 压，也可叠加加压。直流电源30包括调压器15、负极性直流高压发生器16、限流电阻17和 保护硅堆18。冲击电源31包括调压器19、工频变压器20、整流硅堆21、整流电阻22、波 尾电容23、阻尼电阻24、触发球隙25、波尾球隙26、波尾电阻27、波头电阻28和波头电 容29。叠加使用时，首先负极性直流高压发生器16通过限流电阻17和保护硅堆18向波头 电容29充电，输出电压u0为直流电压u1，波尾球隙26隔绝波尾电阻27避免分压。工频变 压器20从波尾电容23充电，充电电压峰值um为冲击电压的幅值u2，点火触发球隙25，此 时波尾球隙26承担电
压由u1上升至u2，波尾球隙26击穿导通，波尾电阻27接入回路，此 时直流端限流电阻17侧为高电位，保护硅堆18截止，输出电压u0为冲击电压波形。
[0080]
图4示出了同步观测系统，包括电学、光学和热力学参数观测设备。
[0081]
电学参数方面：通过高压探头32连接至高压引线10测量放电电压，通过示波器33采集 电压信息，示波器33设置电平自动触发，并且输出aux out同步触发信号47；采用电流 采集筒34测量电流，测量原理为，筒内放置一套与棒电极5连接的无感电阻，通过采集电阻 上电压后换算成电流，经过电光/光电转换器35，36将数据传至计算机存储，其中由示波器 33提供的同步触发信号47触发电流测量。
[0082]
光学参数方面：采用紫外成像仪38拍摄电晕放电过程中棒电极5附近电晕放电光子紫外 成像图，用以分析电晕电荷的分布；采用高速摄影仪37拍摄先导放电发展过程，用以分析电 荷分布对上行先导起始和发展的影响；采用单反相机39拍摄先导放电通道形貌。紫外成像仪 38放置试验段105引流板2正前方(正对引流板轮廓111)，根据放电时间提前拍摄，无需触 发。高速摄影仪37放置试验段105引流板2正前方，由示波器提供的同步触发信号47触发。 单反相机39放置试验段105引流板2正前方，根据放电时间提前按动快门，无需触发。
[0083]
热力学参数方面：采用纹影系统测量放电过程中的温度变化。所述纹影系统包括led光 源40、圆形狭缝41、前透镜42、后透镜43、刀口44、cmos高速相机45，led光源40、 圆形狭缝41、前透镜42在试验段105的一侧，后透镜43、刀口44、cmos高速相机45在 试验段105的另一侧，led光源40的光46穿过棒电极5正上方。所述纹影系统通过激光在 密度不同的空气之间折射率不同，折算到激光在cmos高速相机45上的偏移量，进而推算 密度变化，根据密度反演不同区域的温度，用以分析先导流注转化的热力学条件。
[0084]
在示例性实施例中，还提供一种旋转风机叶尖放电过程多参量同步观测试验方法，采用 上文所述的观测平台进行试验，具体试验步骤见下文。
[0085]
s1、布置试验平台，按照图4布置图布置各个观测设备的位置：
[0086]
s1-1、固定上板电极6、棒电极5位置。
[0087]
s1-2、连接高压探头32至高压引线10，连接全电流采集筒34至棒电极5引出线，全电 流采集筒34与下板电极8各自单独接地。
[0088]
s1-3、连接上板电极6的金属固定杆7至高压引线10。
[0089]
s1-4、将紫外成像仪38、高速摄影仪37、单反照相机39以及所述纹影系统，依次错落 布置在试验段105的引流板2正前面。
[0090]
s1-5、将示波器33输出同步触发信号47连接至各需外部触发设备(采用电流采集筒34、 高速摄影仪37、cmos高速相机45)，其余设备(紫外成像仪38、单反相机39)按要求设定 自触发。
[0091]
s2、开启所述风洞平台，调节风速至设定值，如20m/s。
[0092]
s3、研究风速、电压形式和叶片旋转位置对叶尖电晕放电的影响：
[0093]
s3-1、启动直流电源30，逐步升压至棒电极5开始发生电晕放电。
[0094]
s3-2、手动触发示波器33，获得当时电压波形，同时示波器33输出同步触发信号47。
[0095]
s3-3、记录并保存各测量设备数据。
[0096]
s3-4、恢复所述同步观测系统各设备状态，重复s3-2至s3-3多次，记录数据。
[0097]
s3-5、改变风速，如分别调节风速大小至40、60、80、100、0m/s，重复s3-2至s3-4， s3-6、关闭直流电源30，调节风速至设定值，如20m/s，开启冲击电源31。
[0098]
s3-7、将示波器33调至待触发状态，采用高压电压触发，确保该触发值下，棒电极5已 经开始电晕放电。
[0099]
s3-8、点火触发冲击电压电源31，记录所述同步观测系统各设备参数。
[0100]
s3-9、改变风速，如分别调节风速大小至40、60、80、100、0m/s，重复s3-7至s3-8。
[0101]
s3-10、更改棒电极5在引流板2表面的角度，重复s3-1至s3-9。
[0102]
s4、研究风速、电压形式和叶片旋转位置对叶尖接闪放电的影响：
[0103]
s4-1、恢复所述同步观测系统各设备状态，调整上板电极6与棒电极2之间间隙到设定 值，如1m，关闭所述风洞平台，开启冲击电源31，选定适当电压幅值，触发点火放电，记 录间隙放电状态。
[0104]
s4-2、不断重复s4-1，直至找到某一冲击电压幅值能够使得间隙击穿，试验中选取冲击 电压幅值略超过此电压值。
[0105]
s4-3、开启所述风洞平台，调节风速至设定值，如20m/s。
[0106]
s4-4、开启冲击电源31，选定适当电压幅值。
[0107]
s4-5、将示波器33调至待触发状态，采用高压电压触发，将所述同步观测系统其余观测 设备调至待触发状态。
[0108]
s4-6、点火触发。
[0109]
s4-7、记录各观测设备数据，恢复所述同步观测系统各设备状态。
[0110]
s4-8、改变风速，如分别调节风速大小至40、60、80、100、0m/s，重复s4-4至s4-7。
[0111]
s4-9、更改棒电极5在引流板2表面的角度，重复s4-3至s4-8，研究模拟叶尖旋转位置 对放电影响。
[0112]
s4-10、研究电压形式对放电的影响，在开启冲击电源31的工频变压器20开始充电之前， 首先打开直流电源30，保证仅考虑直流电压时，棒电极5发生电晕放电。重复s4-4至s4-9。
[0113]
s5、分析所有测量数据，对比不同工况下不同位置气流速度和气压分布、间隙流注-先导 放电过程中的电压、电流、电场等电学参数；流注茎起始位置、发展方向、先导直径等光学 参数；流注-先导通道温度等热力学参数，归纳高速弧形气流对正极性流注-先导过程的宏观 特征的影响规律。