基于雷电物理的风机叶片动态击距与电气几何模型的构建方法

技术领域

本发明涉及一种基于雷电物理的风机叶片动态击距与电气几何模型的构建方法。

背景技术

风电作为清洁能源的重要组成部分，其大规模发展是促进我国能源体系改革的重要技术支撑。然而，鉴于风机所处的环境及其自身特殊结构，极易遭受大气雷击。雷击事故中叶片的损伤占到雷击损伤总数的40％以上，且多数为不可修复性损伤。风机叶片的成本、吊装、维修等高额费用已严重影响到风电场的经济稳定运行。因此，寻找一个可靠的方法评估风机叶片防雷系统的效率，对风机叶片的防雷设计和促进风电的可持续发展具有重要意义。

当前的风机叶片防雷设计多是基于实验研究，在叶片周围电场分布、接闪器防护效果等方面取得了一定成果。但实验室的环境与实际风机的运行环境难免存在差异，其与实际情况的等效性也有待商榷，且对于不同环境、不同型号的风机叶片都需要进行重复试验，消耗大量的人力物力，亟需发展一种叶片防雷效率的评估方法。

20世纪60年代，国内外学者首次将雷电流的电气参数与线路的几何结构联系起来研究输电线路的屏蔽问题，在大量实验观测和计算的基础上推出了输电线路的经典电气几何模型，相对于传统规程法取得了巨大进步。此后人们对电气几何法中的击距公式进行了改进以适应不同的环境，但是击距公式依旧存在物理概念模糊，通用性较差的缺点，且不能体现地面物体不同位置、不同结构的击距变化，难以应用在像风机叶片这样的复杂旋转结构。同时，部分现有技术的研究主要是通过先导模型的反复计算，对指定点的防雷性能指标进行分析，并没有给出叶片整体的防雷效率计算方法。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于雷电物理的风机叶片动态击距与电气几何模型的构建方法，本发明将电气几何方法与雷电先导发展的物理过程相结合，提出了针对风机叶片的电气几何分析模型。通过引入风机叶片动态击距的概念及分析方法，使得击距的物理意义更加清晰，并进一步推导了叶片防雷系统效率的计算方法。随后利用该模型分析了实际尺寸风机叶片防雷系统效率的影响因素，并基于风机叶片长间隙击穿实验验证了该方法的有效性。提出的风机叶片电气几何模型，可为风机叶片的防雷设计与评估提供理论依据。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于雷电物理的风机叶片动态击距与电气几何模型的构建方法，以雷电先导发展的物理模型为基础，并以负极性雷击描述雷击过程，将负极性雷击分为三个阶段，下行先导向下发展，上行先导起始，上下行先导连接过程，假定雷电下行先导竖直向下发展，当上、下行先导的流注相遇时发生雷击，将发生雷击时上行先导流注头部的高度定为击距，据此计算出风机叶片动态击距，以体现风机叶片上不同位置具有不同的击距，以及风机叶片所处位置的变化而改变击距，在假设雷电流数值向下发展的前提下，根据动态击距，建立针对风机叶片的电气几何模型。

根据风机叶片电气几何模型中暴露弧、屏蔽弧以及风机叶片旋转角度的几何关系，计算风机叶片电气几何模型暴露距离，进而得到风机叶片防雷系统效率。

风机叶片雷电防护的电气几何模型中包括叶片接闪器的击距、叶片叶身处的击距、暴露弧和屏蔽弧。

当雷电流幅值增大，暴露弧会持续减小直至消失，叶片得到完全屏蔽，此时所对应的雷电流幅值为叶片可能接闪失败的最大雷电流。

雷电下行先导采用先导通道电荷分布模型。

利用风机叶片电气几何模型，分析风机叶片角度、雷电流幅值和接闪器布置对防雷系统效率的影响，最后基于风机叶片长间隙下击穿实验验证了该模型的有效性。

风机叶片动态击距的计算方法包括：

1)根据雷云和下行先导位置，求出风机周围的背景电位，计算空间电离产生的电荷数，判定电晕起始，若电晕不起始，下行先导进一步向下发展；

2)电晕起始后，由风机周围电位曲线计算电晕区域电荷，当电晕区域电荷大于设定值时流注向先导转化，否则下行先导进一步向下发展；

3)先导起始后，假定一个初始先导长度，根据电位畸变曲线计算上行先导发展过程，当上下行先导头部之间的平均场强为E_str时确定接闪，最终求得上行先导和流注的发展高度。

当风机的塔筒高度、雷电流幅值固定时，叶片的击距与叶片上的位置和旋转角度有关。

风机防雷系统效率为：

其中，E_s为叶片防雷系统分级效率，雷电流幅值为I，I_min和I_max分别为雷电流最小和最大幅值，叶片呈角度θ，f(I)为关于雷电流幅值的概率函数，l_MN(I，θ)表示暴露距离的总和，l_MO(I，θ)表示总区域距离。

在暴风雨天气风机停运时，避免有风机叶片接近水平，使叶片竖直向上。增加叶片接闪器时，要考虑接闪器之间的屏蔽效应。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明提出了风机叶片动态击距的概念及分析方法。通过雷电上行先导的物理发展模型，给出了叶片动态击距的分布特征，发现接闪器处的击距有明显增大，并且该分析方法为具有复杂结构的地面物体防雷提供思路；

2)本发明基于风机叶片动态击距的概念，该模型将电气几何方法与雷电先导发展的物理过程相结合，给出了叶片防雷系统效率的计算方法，为叶片防雷系统的评估提供理论依据，同时设计了风机叶片长间隙击穿实验验证了该模型的有效性；

3)利用构建的模型分析了风机叶片的防雷系统效率，发现雷电流幅值越小、叶片越接近水平叶片防雷系统的效率越低，在暴风雨天气风机停运时，避免有风机叶片接近水平，使其中一叶片竖直向上。增设叶身接闪器可以有效的提高叶片的防雷效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1(a)、图1(b)为本发明的风机叶片动态击距示意图；

图2为本发明的风机叶片雷电防护电气几何模型示意图；

图3为本发明的雷云电荷分布模型示意图；

图4为本发明的先导发展模型示意图；

图5为本发明的I＝30kA时动态击距曲线示意图；

图6为本发明的叶片防雷系统雷电拦截效率分析图；

图7为本发明的暴露距离数学计算模型示意图；

图8为本发明的不同雷电流幅值下叶片防雷系统失效率示意图；

图9为本发明的I＝20kA时动态击距曲线示意图；

图10(a)、图10(b)分别为本发明在冲击电流15kA、7.5kA下叶片材料损伤图；

图11为本发明不同接闪器数量下叶片防雷系统失效率示意图；

图12为本发明的实验原理图；

图13为本发明的放电路径观测结果示意图；

图14为本发明的计算值与实验值对比图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，风机遭受雷击所造成的高额费用已严重影响到风电场的经济稳定运行，寻找一个可靠的方法评估风机叶片防雷系统的效率，对风机叶片的防雷设计和促进风电的可持续发展具有重要意义。现有实验技术以及仿真模型都不适用于风机复杂的结构以及其旋转特性，也并没有给出叶片整体的防雷效率计算方法，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于雷电物理的风机叶片动态击距与电气几何模型的构建方法，本发明将电气几何方法与雷电先导发展的物理过程相结合，提出了针对风机叶片的电气几何分析模型。通过引入风机叶片动态击距的概念及分析方法，使得击距的物理意义更加清晰，并进一步推导了叶片防雷系统效率的计算方法。随后利用该模型分析了实际尺寸(1.5MW)风机叶片防雷系统效率的影响因素，并基于风机叶片长间隙击穿实验验证了该方法的有效性。新提出的风机叶片电气几何模型，可为风机叶片的防雷设计与评估提供理论依据。

本申请的一种典型的实施方式中，电气几何法可以将雷电流参数同被研究物体的几何结构联系起来，利用击距描述地面物体的引雷能力，认为雷电下行先导先到达哪个物体的击距便向哪个物体放电。击距的物理意义为雷云向地面发展的先导放电通道头部到达被击物体的临界击穿距离。在传统电气几何法的击距计算中，主要是根据运行数据统计，或只通过地面物体周围的场强来确定击距，与实际的雷击过程差距较大。目前广泛应用的击距公式仅是雷电流的函数，而实际风机叶片的旋转结构是在叶片上嵌有一个或多个接闪器，因此，传统的击距计算方法无法体现风机叶片接闪器和叶身(无接闪器部分)击距的不同，另外也不能考虑叶片旋转角度对击距的影响，并不适用于风机叶片的防雷计算。

为建立风机叶片的电气几何模型，本发明引入风机叶片动态击距的概念，其“动态”主要包括两层含义：第一，风机叶片上不同位置(如接闪器和叶身)具有不同的击距；第二，风机叶片所处位置(如角度和高度)的变化，也会引起击距的变化。风机叶片的动态击距具有分布特征，不仅接闪器处存在击距，叶身处也有对应的击距，只是叶身的击距较短，在叶片的平面内可看作距离叶身表面一定距离、曲率较小的非圆弧。图1(a)、图1(b)给出了不同角度和叶片上不同位置击距的变化情况。当叶片非竖直向上时，两侧击距不是严格对称的，下侧的击距(如图1(a)所示)略小于上侧的击距。当假设雷电竖直向下发展时，下侧击距不会影响接闪，考虑到叶片的旋转对称性，将叶片上侧击距关于叶片轴线对称到下侧，便于模型的数值计算。

根据上述风机叶片的动态击距概念，可推导风机叶片雷电防护的电气几何模型，如图2所示，假设雷电下行先导竖直向下发展。其中，R_p为叶片接闪器的击距，R_b为叶片叶身处的击距，θ为风机叶片与水平方向的夹角，取逆时针方向为正。当雷电流幅值为I时，叶片的击距对应于弧其中弧为暴露弧，为屏蔽弧，A点为所研究叶片部分(可以是叶片一部分)对应击距包络线的起始点。当雷电下行先导到达暴露弧时，则表示叶身遭受雷击，防雷系统接闪失败。

随着雷电流的增加，R_p和R_b也随之增大，当雷电流增加到I_m时，击距范围增加到可以看到暴露弧相对于雷电流I时的暴露弧明显减小，当雷电流幅值继续增大，暴露弧会继续减小至消失，叶片得到完全屏蔽，此时所对应的雷电流幅值为叶片可能接闪失败的最大雷电流I_max。当雷电流的幅值大于I_max时，叶片的防雷系统能够对叶片完全屏蔽，I_max主要与叶片所处位置及叶片防雷系统的设计有关。对于一个已经设计好的风机叶片防雷系统，其不能有效屏蔽的雷电流的幅值范围是I_min<I<I_max，其中I_min为使叶片击穿时材料不受损伤的最大雷电流幅值，I_min主要与叶片所用材料及加工工艺有关。若叶片防雷系统设计的防护能力足够强，使得I_max<I_min，则该叶片防雷系统能够对所有幅值的雷电流有效屏蔽。

风机叶片的电气几何模型通过击距来描述叶片各位置的引雷能力，动态击距是风机叶片电气几何模型中的一个特征参数，也是最终定量表征风机叶片防雷效率的基础。要想表征动态击距的变化特性，就需要考虑叶片不同位置空间电位的畸变情况，进一步纳入雷电先导发展的物理机制，从而解决动态击距的计算问题。

雷击发展过程中，背景电位主要由雷云和下行先导两部分电位组成。本发明采用模拟电荷法求取背景电位分布，雷云和下行先导的电荷分布模型如图3所示。

自然界雷电以负极性雷电为主，其雷云一般具有2～3个电荷中心，最上层集聚大量正电荷，下层为负电荷，最底部有时具有一个或多个弱正电荷区域。Uman和Rakov采用圆柱电荷堆模型来模拟雷云电荷，可真实的反应出雷云电荷分布以及空间电位特性。Amorouso和Lattarulo研究发现当雷云内电荷密度较均匀时，圆柱电荷堆可以用带电圆盘来简化，如图3所示。模型中取模型中各参数的典型值取为：ρ_p＝3nC/m³，ρ_n＝-0.9nC/m³，h_p＝10km，h_b＝5.5km，h_n＝1.5km。经过计算轴线上近地面电场强度约在10～20kV/m之间。

雷电下行先导采用Cooray提出的先导通道电荷分布模型，该模型与实测值具有良好的吻合性，先导中电荷密度为：

其中ρ(ζ)为下行先导通道电荷密度，C/m；ζ为先导通道中某点距先导头部距离，m；I_p为雷电流幅值，kA；H_c为雷云对地高度，H_c＝h_n＝1500m；H_i为先导头部距地高度，m；各系数为a₀＝1.476×10^-5，a＝4.857×10^-5，b＝3.9097×10^-6，c＝0.522，d＝3.73×10^-3。

随着负极性下行先导向下发展，地面物体表面电场增加，由于碰撞电离和附着作用产生了正极性空间电荷区域，当正极性空间电荷大于一定值时产生初始电晕：

式中α和η分别为碰撞电离系数和附着系数，R₀为电极曲率半径，R为碰撞电离区边界，x为电子崩头部到电极距离，N_cri可取为0.55×10⁸。

初始电晕产生后，会在放电间隙中形成流注区，流注区产生的自由电子汇集到流注的根部，自由电子在根部与气体分子发生碰撞，传递给气体分子能量(平动能、旋转能、电子激发能和振动能等)，该部分能量将在10^-5s～10^-3s内转换为平动能H_t(T_h)，T_h为气体分子的平动能温度。若假定流注区内气体分子质量恒定，则平动能方程满足：

式中f_t、f_r、f_e分别为平动能、旋转能、电子激发能的转换系数，f_t+f_r+f_e＝0.07，k为玻尔兹曼常数，n_h为气体分子密度，r_stem、E、I分别为流注底部的半径、场强和通过的电流，T_v为分子振动能温度，τ_vt为振动能转化为平动能的时间常数，W_v(T)为气体分子振动能，振动能的平衡方程可表示为：

式中ε_v为氮气分子振动基态激发能，约为0.28eV，f_v为振动能的转化系数，f_t+f_r+f_e+f_v＝1。当流注底部温度达到1500K时电导率明显增大，先导开始形成。流注底部温度与流注区域产生的电子数有关，根据上述气体分子的动能平衡方程式，当流注区域的空间电荷大于1μC时，可认为满足流注向先导转化的温度条件。

上行先导起始后，认为下行先导以一定速度呈阶梯状向下发展，对应的上行先导发展过程如图4所示。上行先导头部的电位为：

式中E_∞为准静态先导场强稳态值，3×10⁴V/m；E_str为流注区电场近似于恒定值，4.5×10⁵V/m；x₀为长度系数，0.75m。

当下行先导发展到i-1步，不考虑流注区域空间电荷时，背景电位为U₁^i-1，考虑流注区空间电荷后电位畸变为U₂^i-1。当下行先导发展到i步时，假设上行先导没有发展，背景电位变为Uⁱ，此时考虑到第i-1步的空间电荷，电位畸变为U_Tⁱ。在先导头部从l^i-1发展到lⁱ的过程中，流注头部发展到l_sⁱ，流注区域的电位变为U₂ⁱ。图4中阴影面积可表示该过程中新产生的电荷ΔQⁱ，可近似用下式计算：

式中K_Q为环境因子，取值为3.5×10^-11C/(V·m)。下一步先导的增长量可表示为：

式中q_L为满足流注向先导转化时，单位长度先导所需要的电量，对于自然界雷电取值约为65×10^-6C/m。则下一步上行先导头部位置为：

lⁱ⁺¹＝lⁱ+Δlⁱ(8)

由上述先导发展机制，认为上、下行先导的流注相遇时发生雷击。因此，计算时叶片上某一点的动态击距定义为当下行先导处于该点正上方，发生雷击时上行先导流注头部相对于该研究点的高度。利用先导模型确定击距更加符合实际的雷击过程。

计算中，风机模型的参数为塔筒高70m，叶片长40m，叶片内引下线半径0.01m，塔筒半径2.5m。风机叶片动态击距计算流程如下：

1)根据雷云和下行先导位置，求出风机周围的背景电位，利用式(2)计算空间电离产生的电荷数，判定电晕起始，若电晕不起始，下行先导进一步向下发展；

2)电晕起始后，由风机周围电位曲线计算电晕区域电荷ΔQ，当ΔQ>1μC时流注向先导转化，否则下行先导进一步向下发展；

3)先导起始后，假定初始先导长度0.05m，根据电位畸变曲线(8)计算上行先导发展过程，当上下行先导头部之间的平均场强为E_str时确定接闪，最终求得上行先导和流注的发展高度。

本发明计算中为减小计算量，认为上行先导长度>2m可形成稳定上行先导。上下行先导发展的整体速度比在1:4～1:1之间变化，对于自然界雷击这样的超长间隙放电，计算发现其整体速度比更接近1:4。由上行先导稳定起始时下行先导的对地高度，结合速度比可给出动态击距的近似值。由先导模型，当雷电流为30kA，下行先导步长为10m，速度比取1:4时得到风机叶片的动态击距曲线如图5所示，可以看出当塔筒高度、雷电流幅值固定时，叶片的击距与叶片上的位置和旋转角度有关。

风机叶片的动态击距曲线如图5所示，可分为三个区域，在尖端效应区存在明显的上翘，这是由叶尖接闪器尖端效应导致的，接闪器周围的空间电位畸变严重，更容易产生上行先导，所以其击距明显大于叶身处。叶身区域击距随距叶片尖端距离的增加而减小，可近似用一条斜向下的直线表示叶身击距R_b(l)，l表示距叶尖距离，如图5中的虚线所示。虚线与横坐标方向的夹角为θ'，我们称之为叶身动态击距拟合角，为负值。在屏蔽效应区，由于风机塔筒屏蔽效应，击距下降速度加快，该现象在叶片角度越接近水平时越明显。IEEE根据大量现场运行数据推荐的击距公式在地面物体防雷中有广泛应用，但只能给出风机叶片竖直向上时叶尖接闪器的击距，利用IEEE推荐公式计算叶尖接闪器击距为72.9m，与本发明击距模型得到叶尖接闪器击距67m比较接近，证明了本发明击距模型的可靠性。

电气几何法自提出以来经过了不断改进，1993年IEEE工作组基于长期的数据统计和研究，提出了采用暴露距离的方法来计算防雷系统的拦截效率，该方法同样假定下行先导竖直向下发展，与本发明先前做的假设一致。其中暴露距离是指暴露弧两端点之间的水平距离，如图6所示。

IEC 61400-24中提出风机防雷系统效率E的计算公式：

E＝E_i×E_s>

式中E_i为风机叶片的拦截效率，E_s为叶片防雷系统分级效率。

当雷电流幅值为I，叶片呈角度θ时，根据暴露距离法得叶片的拦截效率E_i：

当雷电流幅值I_min<I<I_max，由式(9)、式(10)得到风机叶片与水平方向呈角度θ时，叶片防雷系统效率为：

式中f(I)为关于雷电流幅值的概率函数；对于有多接闪器的风机叶片，l_MN表示暴露距离的总和。

在实际风机运行中，风机叶片处于不断旋转状态，式(11)中的各距离不仅是I的函数，也是θ的函数。考虑到风机旋转过程以及叶片在0-180°时更易遭受雷击，令式(11)在0-180°内几何平均值作为运行风机叶片防雷系统效率：

在此我们认为防雷系统泄流容量足够大，只要接闪器接闪成功则不会对叶片造成损伤，则E_s取值为1。

暴露距离l_MN是获得风机叶片防雷系统效率的重要参数。下面将以两接闪器叶片暴露距离计算为例，说明风机叶片暴露距离计算方法。由于叶片的旋转具有旋转对称性，计算中θ取值为0-90°。

叶片具有侧接闪器时击距的包络范围如图7所示。l₁、l₂分别表示两接闪器和接闪器到所研究叶片起点间的距离；屏蔽弧分别为以叶尖接闪器和叶身接闪器为圆心，两接闪器击距R_p1、R_p2为半径的圆弧；暴露弧到叶身的垂直距离为叶身的击距R_b(l)，暴露距离即A₁、B₁和C₁、D₁水平距离的和。所研究叶片起点处O的叶身击距为R_b(l₁+l₂)，令A₁点坐标为(x₁,y₁)，则有：

叶片同一侧暴露弧(如)可近似认为在同一条直线上，A₁、B₁、C₁、D₁所在的直线为：

式中θ'为叶身动态击距拟合角(图5中给出)。O₁、O₂的坐标为：

则O₁、O₂所在圆的方程为：

联立式(14)、式(16)可以求得坐标B₁(x₂,y₂)、C₁(x₃,y₃)、D₁(x₄,y₄)的数值，根据叶片动态击距作出电气几何模型图，可确定各点位置。对于图7所示存在两端暴露弧的情况，需要舍弃x值最大的一组解且有x2<x3<x4。则暴露距离l_MN为：

l_MN＝x₄-x₃+x₂-x₁(17)

所研究叶片部分对应的总区域l_MO为：

将式(17)、式(18)代入式(12)(或式(11))可得到所研究风机叶片部分的运行防雷系统效率E(或固定角度防雷系统效率E_θ)。

风机参数前所述，根据风机叶片电气几何模型，得到30kA雷电流、只有叶尖接闪器的叶片，在典型角度0°、30°、60°、90°下的防雷系统效率E_θ。为了更直观地给出叶片防雷失效的情况，本发明根据叶片旋转对称性绘制了在0-180°内的防雷系统失效率曲线(1-E_θ)，如图8中所示。图中极坐标的角度表示叶片旋转角度θ，半径表示叶片防雷系统失效率1-E_θ。

在雷电流幅值30kA时，叶片旋转角度越接近水平线，防雷系统失效率越大。当角度为0°时，失效率为40％左右，当叶片角度转到30°过程中，失效率迅速下降接近于0。这是由于叶片角度越大，叶尖接闪器尖端的空间电位畸变越明显，越容易起始上行先导，致使接闪器的击距增大，暴露弧长度迅速减小，叶片处于叶尖接闪器的防护范围内。

通过对风机角度的研究，建议在暴风雨天气风机停运时，避免有风机叶片接近水平，可使一叶片竖直向上，可有效的提高叶片防雷系统效率。

改变雷电流幅值(30kA、20kA、10kA)，并保证其他参数不变，研究雷电流幅值对叶片防雷效率的影响，不同雷电流幅值下叶片防雷系统失效率如图8所示。当雷电流20kA，θ＝30°时，失效率为17％，θ＝60°时失效率已降至为0；当雷电流10kA，θ＝30°时，失效率为53％，θ＝60°时其失效率为15％。发现随着雷电流幅值的减小，叶片的防雷效率下降明显，且叶片完全防护的角度也随之减小。故雷电流越小，叶片越容易遭受雷击。

这是由于雷电流的改变导致叶片的击距发生变化，影响了叶片的防雷效率。雷电流20kA时动态击距曲线如图9所示，对比图5发现，叶片尖端和叶身处的击距都有明显的减小，且接闪器尖端效应减弱，使得屏蔽弧范围变小，导致叶片接闪不成功的概率增大。

对于叶片多孔夹层材料，在10kA电流下就可以造成不可逆的烧蚀损伤，留下安全隐患。如图10所示，为风机叶片夹层材料(PET，10cm×10cm)在冲击电流下的损伤情况，在电流15kA时材料烧蚀严重，7.5kA时只有在电弧通过周围一小块区域有碳化现象，故建议I_min取值要小于10kA。

为研究叶身接闪器对叶片保护的影响，在距离叶片尖端7m处加入一叶身接闪器，得到30kA雷电流该叶片防雷系统失效率如图11曲线所示。对比一接闪器情况，当叶片水平时，防雷系统拦截失效率由41％降至25％，加入的叶身接闪器可有效地增加屏蔽弧的范围，从而提高了叶片防雷系统效率。

由于接闪器之间存在屏蔽效应，当两接闪器距离较近时，叶尖接闪器较原先的击距会有所下降，计算发现叶身接闪器距叶尖接闪器1m左右时，叶尖接闪器击距下降大约2m。所以在布置接闪器位置时，需要根据叶片电气几何模型来确定接闪器的排放，以达到叶片防雷效率的要求，不能简单地增加接闪器数量，否则可能会出现增加接闪器数量反而导致叶片防雷效率下降的现象。

明确暴露弧与屏蔽弧的范围，是叶片电气几何法计算的基础。为验证模型的有效性，对实际雷击风机叶片的过程进行简化，在华北电科院沙河试验站开展了实体风机叶片的长间隙放电实验，寻找暴露弧与屏蔽弧分界处位置。实验原理图如图12所示，风机叶片采用sinoma45.2B-1.5MW叶片的前五米(只有叶尖接闪器)，与地面的夹角θ约为30°，利用棒状上电极模拟雷电下行先导，沿图中箭头所示方向以0.75米为步长从叶尖正上方开始移动，寻找50％接闪率上电极位置，此位置可认为是暴露弧与屏蔽弧分界处。冲击电压采用250/2500μs负极性操作波。数码相机采用长曝光方式记录放电路径，来判定叶片防雷系统接闪成功与失败，其中接闪成功包括击中叶尖接闪器尖端、接闪器侧面和滑闪击中接闪器，如图13(a)、(b)、(c)所示；接闪失败为击中叶身，没有经过接闪器泄流，如图13(d)所示。

在每个上电极位置进行20次放电实验，统计实验数据并绘制其拟合曲线如图14绿色曲线所示，若取概率50％处为屏蔽弧与暴露弧的交界处，其值约为2.3m。采用本发明介绍的风机叶片电气几何模型，得到该种情况下暴露弧与屏蔽弧的分界处在1.8125m处，两者误差为0.4875m，相对于实验值的相对误差δ：

δ＝|l_c-l_e|/l_e×100％＝21％

其中l_c、l_e分别为计算值和实验拟合值。

在所计算的屏蔽弧范围内(0～1.8m)与实验拟合曲线的最大误差约为19％，但平均误差只有3％左右。在暴露弧范围内(>1.8m)，模型将接闪成功率低于一定值当作完全不能防护处理，保证了叶片电气几何模型的保护域度，但在过渡区域内有一定的误差。

从整体上看，计算曲线与实验拟合曲线形状接近，具有一定的保护域度，只有在过渡区域存在一定误差。实验证明了本发明风机叶片电气几何模型的有效性。

需要说明是，实验条件与真实风机的雷击环境难免存在差别，实验与实际情况的等效性仍需要验证，但所设计的实验一定程度上证明了本发明方法的可靠性。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。