葉片防雷技術

關 鵬

沈陽金祥電能設備有限公司,遼寧沈陽 110186

葉片防雷技術

關 鵬

沈陽金祥電能設備有限公司,遼寧沈陽 110186

目前世界新能源市場上以風力發電作為主要發展方向，而其中葉片的防雷技術是確保風力發電機組安全性的關鍵因素，現代風力發電機組所采用的葉片防雷技術為其安全運行提供了保障。

葉片防雷；防雷技術；新能源

0 引言

風能是世界上清潔能源利用中最具商業價值的能源，是未來可再生能源領域里重要一員。目前，風力發電的商業化發展如火如荼，與之相配套的葉片防雷技術的發展也十分迅速。風力發電機組可靠性中最關鍵的一個問題是葉片防雷技術，隨著風力發電機組高度和發電功率的增加，雷擊風力發電機組的概率也會成正比增長。風力發電機組中最危險的部件是風輪葉片。因此，其良好的防雷設計是保證風力發電機組連續穩定運行的決定因素。

1 國內目前風力發電機組遭受雷擊現狀

我國當前風電機組都設置在風力強大的地區，并且設置在高于周圍地區的制高點上，由于周圍缺少其他高大物體，因此它更容易被雷電吸引。據統計，每100臺風力機，一年雷擊故障多達14次。7%～10%的雷擊都將造成葉片的損壞。相比較其他因素導致的故障，雷擊所造成的故障將造成40%多的能量損失，停機時間也因此增加20%多。其中葉片的損毀是最昂貴的損壞。據估計，全世界每年遭受到雷電襲擊的風輪葉片占其總量的1%～2%。從葉片受雷擊的損壞部位看，多數情況發生在葉尖是比較容易被修補的，但少數情況則會造成整個葉片無法使用，需要更換。雷擊風機往往會造成風機電系統的過電壓，造成風機各種化控制系統和通信元件的燒毀、發電機被擊穿、電氣設備損壞等嚴重事故。所以，雷害是威脅風機安全經濟運行的嚴重問題。

2 雷電產生的機理

風力發電特點：風機分布安置多在比較空曠的地區，大型風機葉片最高點（轉子半徑加輪轂中心高度）達75～105m，極易遭受雷擊。風力發電機組的電氣絕緣性能較低（發電機電壓690 V、并采用大量通信及自動化控制元器件）。因此，相比較常規發電機組，其防雷性能的環境要惡劣許多。

雷擊可以被認為是一個強電流源。目前有記載的單次雷擊電流最大值超過了30萬安培。在世界范圍，這樣的大電流雷擊發生的概率極小。中等量值的雷電流峰值大約為3萬安培。此外，雷閃的類型及風機所處地理位置而變化對雷擊的電氣特性有較大影響。沿著同一電離路徑的整個放電過程稱為閃電，其持續時間可以達到1s以上。空中的塵埃、冰晶等物質在大氣運動中劇烈摩擦生電以及云塊切割磁力線，在云層上下層分別形成了帶正負電荷的帶電中心，運動過程中當異性帶電中心之間的空氣被其強大的電場擊穿時，就形成放電。云地放電是對風電場運行帶來的主要危害，地面上的凸起物、金屬等，會與向下接近地面帶負電荷的云層感應產生出正電荷，形成逐步增強的電場，雷云產生向下的下行先導，地面突起物體形成向上閃流，二者之間產生的電位差達到一定程度時，即發生猛烈對地放電。山頂、高于地面的物體、高大建筑物頂部和風力機的葉片等處，電場的能量足以強到導致地面與雷云之間發生的向上運動的先導。高度超出地表面100m的現代風力發電機組，明顯地暴露在向上閃擊中。雷擊的破壞作用主要是：電效應破壞、熱效應破壞和機械效應破壞。

3 雷電的主要特點

1）沖擊電流大：其電流高達幾萬到幾十萬安培；

2）時間短：雷擊分為三個階段，即先導放電、主放電、余光放電，整個過程一般不會超過60μs；

3）雷電流變化梯度大：雷電流變化梯度大，有的可達10kA/μs；

4）沖擊電壓高強大的電流產生的交變磁場，其感應電壓可高達上億伏。通常雷擊有3種形式：直擊雷、感應雷、球形雷。

4 葉片損壞現象和機理

雷擊點出現的典型損壞是：

1）雷擊將導致葉片的玻璃纖維斷裂，內部的導電部件燒毀或熔化；

2）葉片內部將產生由于雷擊形成的電弧；

3）雷擊導致葉尖和導電部件之間形成電弧；

4）雷擊電流產生的電弧，將導致葉片玻璃纖維夾層之間的水蒸氣，在迅速加熱的情況下爆裂引起壓力沖擊葉片。

5 葉片防雷方案的關鍵——葉片接閃器

現代風電機組采用國際先進的葉片防雷技術，據相關試驗表明，葉尖是雷擊的多發部位，而相對較弱的雷擊則多集中在葉片的較下方。葉片接閃器的面積較小，可能導致雷擊發生在葉片表面也不被接閃器接收。雷擊分為正極性雷電和負極性雷電，前者容易擊中葉片表面，后者容易擊中接閃器。雷擊電流通過葉片接閃器及其導體迅速通暢地經過葉片和機艙傳引入大地。

國外葉片防雷技術的研究已經開展多年，各國雷電專家、風機及葉片制造、保險業、風電場和商業組織在內，都針對風機防雷的做出了大量工作，為避免雷擊導致葉片的損壞，開發經濟安全耐用的防雷葉片。研究人員在實驗室進行一系列的仿真測試，驗證葉片結構特性和雷擊安全性之間的聯系。研究表明：無論葉片的材料是木頭還是玻璃纖維，或是葉片貫穿導電體，葉片的型式才是導致雷擊損壞范圍的決定因素。即使葉片全部采用絕緣材料也無法減少被雷擊的危險，相反還會增加損壞的次數。研究還表明：葉尖背面是發生雷擊的主要區域。裝在葉尖的接閃器更有利于捕捉雷擊，再利用葉片內部導體將電流引入大地，該設計簡單、經濟且非常耐用，起到引導電流，保護葉片的作用。現在風機葉片的防雷，是按照IEC1024-1的Ⅰ級保護水平設計，并通過有關型式認證。因此，大大改善了葉片遭受雷擊破壞的可能性。如果接閃器或導電部件需要更換，也只是機械性的更換。

6 結論

兆瓦級風力發電機組作為我國陸地風力發電機組的主流型號，在為獲得最大風能的同時，又保證雷擊條件下機組及重要部件的安全性，葉片所采用的此種防雷技術無疑具有更先進的技術優勢。該技術的應用，提高了國產風電機組同行業內的競爭實力，為進軍國際市場贏得了主動。

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TM315

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1674-6708（2010）24-0146-02

關鵬，工程師，工作單位：沈陽金祥電能設備有限公司，研究方向：風力發電機組