مطالعه و بررسی مقایسه‌ای خاک همگن با الکترودهایی به شکل دایره و استوانه متصل بر اساس توزیع میدان‌های برخورد مستقیم صاعقه بر روی توربین بادی

ملک پور, حسین

doi:10.61186/jii.2.1.22

مطالعه و بررسی مقایسه‌ای خاک همگن با الکترودهایی به شکل دایره و استوانه متصل بر اساس توزیع میدان‌های برخورد مستقیم صاعقه بر روی توربین بادی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

حسین ملک پور

گروه مهندسی برق، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک؛ اراک، ایران

10.61186/jii.2.1.22

چکیده

در این مقاله، اثر برخورد مستقیم صاعقه روی توربین بادی برای سیستم زمین با خاک همگن و الکترودهایی به شکل دایره و استوانه متصل و بدون آنها مطالعه شده است. مکان توربین‌های بادی و ساختار بدنه آن‌ها موجب شده است که برخورد رعد و برق به توربین‌ها، خسارات اقتصادی جدی به بار آورد. طراحی سیستم اتصال زمین توربین‌های بادی برای ایمنی پرسنل و حفاظت از تجهیزات الکتریکی بسیار مهم است. خاک ساده شامل ضریب نفوذپذیری الکتریکی نسبی 10 و ضریب رسانایی 1/0 می‌باشد. سیستم زمین توربین بادی با خاک همگن و با 9 الکترود قائم و 5 الکترود افقی به شکل دایره و استوانه متصل درنظر گرفته ‌شده است. ابعاد کلی توربین بادی شامل طول پره‌ها 24 متر، ناسل به طول 6 متر، عرض 6 متر و ارتفاع 6 متر، و برج توربین بادی از یک مخروط فولادی به ارتفاع 44 متر می‌باشد. نتایج شبیه‌سازی در نرم‌افزار تمام موج HFSS برای دو حالت با الکترود و بدون آن بر اساس توزیع میدان‌های ایجاد شده بر روی اجزای توربین بادی حاصل از برخورد مستقیم صاعقه و اثر اضافه ولتاژهای ایجاد شده در فرکانس‌های مختلف بررسی و مقایسه شده است. بر همین اساس می‌توان نتیجه گرفت که آرایش چیدمان الکترودها و مقاومت زمین نقش بسیار مهمی برای طراحی مزرعه توربین بادی و حفاظت آن بر عهده دارد.

کلیدواژه‌ها

توربین بادی

جریان صاعقه

اضافه ولتاژ القایی

عنوان مقاله English

Comparative Study and Investigation of Homogeneous Soil with Connected Circular and Cylindrical Electrodes Based on Fields Distribution of Direct Lightning Strike on Wind Turbine

نویسنده English

Hossein Malekpoor

Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Arak University, Arak, Iran

چکیده English

In this paper, the effect of direct lightning strikes on the wind turbine is studied for the earth system with homogeneous soil and circular and cylindrical electrodes connected and without them. The location of wind turbines and the structure of their bodies have caused serious economic losses when lightning strikes the turbines. The design of wind turbine grounding system is very important for the safety of personnel and protection of electrical equipment. Simple soil has a relative electrical permeability coefficient of 10 and a conductivity coefficient of 0.1. The wind turbine ground system is considered with homogeneous soil and with 9 vertical electrodes and 5 horizontal electrodes connected in the form of circle and cylinder. The overall dimensions of the wind turbine include the blade length of 24 meters, nacelle length of 6 meters, width of 6 meters and height of 6 meters, and the tower of the wind turbine is made of a steel cone with a height of 44 meters. The simulation results in the full wave HFSS software for two cases with and without the electrode based on the distribution of the fields created on the components of the wind turbine resulting from the direct impact of lightning and the effect of overvoltage created at different frequencies were investigated and compared. Is. Based on this, it can be concluded that the arrangement of electrodes and ground resistance plays a very important role for the design of the wind turbine farm and its protection.

کلیدواژه‌ها English

Wind turbine

Lightning current

Induced overvoltage

[1] Zhang X, Zhang Y, Xiao X. An improved approach for modeling lightning transients of wind turbines. International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2018;101:429-38. DOI: 10.1016/j.ijepes.2018.04.006.
[2] Rizk ME, Mahmood F, Lehtonen M, Badran EA, Abdel-Rahman MH. Induced voltages on overhead line by return strokes to grounded wind tower considering horizontally stratified ground. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2016;58:1728-38. DOI: 10.1109/TEMC.2016.2588000.
[3] Li W, Xiang N, Bian K, Zhang S, Sun T, Wang Q, et al. Transient characteristics of wind turbine grounding system in high soil resistivity area due to lightning strike. 2020 IEEE International Conference on High Voltage Engineering and Application (ICHVE): IEEE; 2020. p. 1-4. DOI: 10.1109/ICHVE49031.2020.9279758.
[4] Goud RD, Auditore T, Rayudu R, Moore CP. Frequency domain analysis of a wind turbine generator earthing system for lightning discharge currents. IEEE Access. 2019;7:60501-12. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2915104.
[5] Zalhaf A, Abdel-Salam M, Mansour D-EA, Ahmed M, Ookawara S. An Experimental Study of Lightning Overvoltages on a Small-scale Wind Turbine Model. Energy Procedia. 2019;156:442-6. DOI: 10.1016/j.egypro.2018.11.089.
[6] Wang Y, Hu W. Investigation of the effects of receptors on the lightning strike protection of wind turbine blades. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2017;59:1180-7. DOI: 10.1109/TEMC.2016.2647260.
[7] Minowa M, Ito K, Sumi SI, Horii K. A study of lightning protection for wind turbine blade by using creeping discharge characteristics. 2012 International Conference on Lightning Protection (ICLP): IEEE; 2012. p. 1-4. DOI: 10.1109/ICLP.2012.6344349.
[8] Pastromas S, Sandros K, Koutras K, Pyrgioti E. Investigation of lightning strike effects on wind turbine critical components. 2018 IEEE International Conference on High Voltage Engineering and Application (ICHVE): IEEE; 2018. p. 1-4. DOI: 10.1109/ICHVE.2018.8642050.
[9] Kheshti M, Ding L, Bao W, Yin M, Wu Q, Terzija V. Toward intelligent inertial frequency participation of wind farms for the grid frequency control. IEEE Transactions on Industrial Informatics. 2019;16:6772-86. DOI: 10.1109/TII.2019.2924662.
[10] Nazari M, Moini R, Fortin S, Dawalibi FP, Rachidi F. Impact of frequency-dependent soil models on grounding system performance for direct and indirect lightning strikes. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2020;63:134-44. DOI: 10.1109/TEMC.2020.2986646.
[11] Laudani AAM, Senis EC, Lewin PL, Golosnoy IO, Kremer J, Klein H, et al. Estimation of contact resistivity in lightning protection equipotential bonding joints of wind turbine blades. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2021;63:1163-78. 10.1109/TEMC.2021.3059365.
[12] Sabiha NA, Alsharef M, Taha IB, Elattar EE, Metwaly MK, Abd-Elhady AM. Assessment of grounding grid for enhancing wind turbine service sustainability. Ain Shams Engineering Journal. 2021;12:577-89. DOI: 10.1016/j.asej.2020.08.005.
[13] Grcev L. Impulse efficiency of ground electrodes. IEEE Transactions on Power Delivery. 2009;24:441-51. DOI: 10.1109/TPWRD.2008.923396.
[14] Yamamoto K, Sumi S, Sekioka S, He J. Derivations of effective length formula of vertical grounding rods and horizontal grounding electrodes based on physical phenomena of lightning surge propagations. IEEE Transactions on Industry Applications. 2015;51:4934-42. DOI: 10.1109/TIA.2015.2434950.
[15] Zhang Q, Tang X, Gao J, Zhang L, Li D. The influence of the horizontally stratified conducting ground on the lightning-induced voltages. IEEE transactions on electromagnetic compatibility. 2013;56:435-43. DOI: 10.1109/TEMC.2013.2284929.
[16] Gu J, He T, Chen W, Shi W, Huang S, Bian K. Characteristics of Lightning Attachment Point Distributions on Wind Turbine Blades under Downward Lightning. 2019 11th Asia-Pacific International Conference on Lightning (APL): IEEE; 2019. p. 1-7. DOI: 10.1109/APL.2019.8815986.
[17] Guo Z, Li Q, Ma Y, Ren H, Fang Z, Chen C, et al. Experimental study on lightning attachment manner to wind turbine blades with lightning protection system. IEEE Transactions on Plasma Science. 2018;47:635-46. DOI: 10.1109/TPS.2018.2873200.
[18] Zhou M, Huang J, Zhao W, Chen J, Cai L, He C, et al. Experimental evaluation of lightning attachment characteristic of two adjacent wind turbines. IEEE Transactions on Energy Conversion. 2022. DOI: 10.1109/TEC.2022.3230150.
[19] Deshagoni RG, Auditore T, Rayudu R, Moore CP. Factors determining the effectiveness of a wind turbine generator lightning protection system. IEEE Transactions on Industry Applications. 2019;55:6585-92. DOI: 10.1109/TIA.2019.2931866.
[20] Qin Y, Wang H, Deng Z, Zhang J, Yang R, Cai X. Control of Inertia-synchronization Controlled Wind Turbine Generators Under Symmetrical Grid Faults. IEEE Transactions on Energy Conversion. 2022. DOI: 10.1109/TEC.2022.3213874.