某風(fēng)電場兆瓦級風(fēng)電機(jī)組葉片雷擊故障分析

文 | 趙少偉，王洪波，王寶歸

兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輪轂高度往往在70米以上，并且安裝在曠野、高山、海灘等地，極易遭受雷擊。而葉片的葉尖部分又處于風(fēng)電機(jī)組的最高點(diǎn)，當(dāng)葉片運(yùn)行至最高點(diǎn)時，即可被視為避雷針形成引雷通道，是目前全球范圍風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭雷擊破壞影響最大的一種情況。近年來，隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大和低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑的不斷增大，輪轂高度和葉尖高點(diǎn)也在不斷增高，又進(jìn)一步增加了葉片遭受雷擊的概率。

本文結(jié)合作者數(shù)年的風(fēng)電機(jī)組整機(jī)防雷工程經(jīng)驗(yàn)，通過對業(yè)主方某風(fēng)電場兆瓦級風(fēng)電機(jī)組葉片遭受的雷擊損壞故障進(jìn)行系統(tǒng)排查、診斷、分析，以期對當(dāng)前行業(yè)風(fēng)電機(jī)組葉片防雷設(shè)計給予警示和提供借鑒。

雷擊故障概述

2016年8月，在雷雨天氣過后，業(yè)主某風(fēng)電場兆瓦級風(fēng)電機(jī)組的葉片出現(xiàn)斷裂和損傷，具體情況如圖1所示：葉片1斷裂；葉片2后緣開裂；葉片3存在輕微損傷。

圖1 兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪下塔前狀況

葉片損傷狀態(tài)的系統(tǒng)排查

技術(shù)人員首先對下塔后的風(fēng)輪三支葉片進(jìn)行了系統(tǒng)排查，具體損壞狀態(tài)如下：

表1 葉片1的現(xiàn)場狀態(tài)匯總表

一、葉片1（斷裂嚴(yán)重）

葉片1損傷非常嚴(yán)重。在損傷折斷過程中，葉片內(nèi)部的防雷接引線等已經(jīng)大量掉落，并已遺失，導(dǎo)致無法對葉片1防雷接引線的接線工藝、接線方式、雷電流通道等進(jìn)行有效測試和全面檢查，僅能通過葉片上殘留的燒灼痕跡和散落的部分防雷接引線進(jìn)行推理和判定。

葉片1的現(xiàn)場狀態(tài)如表1所示。

二、葉片2（后緣嚴(yán)重開裂）

葉片2的現(xiàn)場狀態(tài)如表2所示。

三、葉片3（后緣輕微損傷）

葉片3僅后緣有輕微的損傷，針對葉片3的檢查主要集中在葉片防雷接引線測試和葉片內(nèi)部接線狀況。

葉片3的現(xiàn)場狀態(tài)如表3所示。

表2 葉片2的現(xiàn)場狀態(tài)匯總表

表3 葉片3的現(xiàn)場檢查情況匯總表

葉片損傷原因分析

根據(jù)上述風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)場系統(tǒng)排查的情況和現(xiàn)狀，系統(tǒng)分析如下：

一、國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)對于葉片雷擊問題的相關(guān)論述

葉片主要由玻璃纖維（GRP）、碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）、木質(zhì)、鋁等材料組成，其結(jié)構(gòu)常為外殼加內(nèi)梁的組合形式。所采用的殼體材料的電阻率相當(dāng)高，在正常情況下材料本身是不易導(dǎo)電的，但在強(qiáng)大雷電流作用下就能夠產(chǎn)生導(dǎo)電路徑。遭受雷擊時，在葉片上出現(xiàn)的放電通道一般有三條（除接閃器和防雷接引線外）：葉片殼體外表面、內(nèi)表面、殼體材料疊層的交界面；雷電流在這些路徑傳導(dǎo)過程中尋求最佳傳導(dǎo)（最低導(dǎo)電率）路徑而相互跳變。

雷電流在葉片內(nèi)部傳導(dǎo)時常會出現(xiàn)電弧，弧道溫度可以高達(dá)30000K，這樣高的溫度會嚴(yán)重?zé)龤Щ〉栏浇臍んw材料。同時，高溫也會在殼體內(nèi)部產(chǎn)生高壓力的沖擊波，對葉片殼體產(chǎn)生機(jī)械損傷，這種損傷連同電弧通道高溫的燒灼作用，常使受雷擊后的葉片殼體上出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重時可導(dǎo)致葉片斷裂。在某些情況下，由雷擊產(chǎn)生的高壓力沖擊波不僅會損毀直接受雷擊的葉片，甚至?xí)p傷到其他未受雷擊的葉片。

由雷擊造成的葉片斷裂或開裂在國內(nèi)外風(fēng)電場已有過非常多的記錄。

二、風(fēng)電機(jī)組葉片斷裂故障原因分析

基于上述理論和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，從葉片1、葉片2的損傷情況判定：葉片1、葉片2損傷的原因均為雷擊故障引起。

（一）葉片1

從葉片1的燒灼情況及現(xiàn)場散落的一些防雷接引線可以得出：雷電流經(jīng)過了防雷接引線，但雷電流在傳導(dǎo)至距離葉尖9m、14m、20m處，或因雷電流通道不暢，導(dǎo)致在該點(diǎn)燒灼。可以推斷，防雷接引線在這幾個點(diǎn)存在接線松動、導(dǎo)體斷裂，或?qū)w嚴(yán)重氧化等問題，造成該點(diǎn)電阻過大，防雷通道不暢。

在防雷接引線雷電流通道不暢的情況下，雷電流選擇了殼體材料疊層交界面進(jìn)行雷電流的傳導(dǎo)，因此，在葉尖后緣至葉片中部腹板上面出現(xiàn)14m長的雷電流燒灼痕跡。

雷電流由于無法有效傳導(dǎo)泄放至大地，導(dǎo)致在葉片內(nèi)部電阻較大的地方瞬間產(chǎn)生大量的熱，不但導(dǎo)致該點(diǎn)被燒灼，而且導(dǎo)致葉片內(nèi)部空氣瞬間高溫膨脹而產(chǎn)生高壓力沖擊波，造成葉片炸裂。

（二）葉片2

從葉片2的燒灼情況及內(nèi)部防雷接引線狀況可以得出：雷電流未經(jīng)過防雷接引線，因此，防雷接引線（有銅芯的部分和沒有銅芯的部分）絕緣層均未發(fā)現(xiàn)任何高溫碳化或燒灼的痕跡。

由于防雷接引線斷裂，雷電流需在葉片上尋找其他電阻率最小的雷電流通道，從燒灼情況來看，選擇了葉片內(nèi)表面及葉片殼體疊壓層，因此，在距離葉尖10m的葉片內(nèi)表面出現(xiàn)燒灼痕跡，同時在葉尖至葉片中部15m長的葉片后緣邊緣處出現(xiàn)燒灼痕跡。

與葉片1相同，雷電流由于無法有效傳導(dǎo)泄放至大地，導(dǎo)致在葉片內(nèi)部瞬間產(chǎn)生大量的熱，不但導(dǎo)致該點(diǎn)被燒灼，而且導(dǎo)致葉片內(nèi)部空氣瞬間高溫膨脹而產(chǎn)生高壓力沖擊波，造成葉片炸裂。

（三）葉片3

葉片3雖然未遭受雷擊，但在葉片1遭受雷擊的過程中，由于斷裂的葉片碰撞或高壓沖擊波等原因，也造成了葉片后緣輕微的機(jī)械損傷。

圖2 葉片根部至風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)雷電流泄放通道的接地電阻測試

（四）葉片根部至風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)雷電流泄放通道排查和測試

除了對葉片1、2、3逐一進(jìn)行系統(tǒng)排查和故障分析外，技術(shù)人員同時對可能影響葉片防雷效果的雷電流泄放通道進(jìn)行了排查和測試。

從葉片根部至風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)接地的整個雷電流泄放通道上，均未發(fā)現(xiàn)雷擊燒灼痕跡。另外，技術(shù)人員對葉片根部至風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的雷電流泄放通道進(jìn)行接地電阻測試，測試結(jié)果僅為3.5 mΩ，整個雷電流泄放通道非常通暢、良好。

三、工藝設(shè)計缺陷

基于上述分析，該風(fēng)電機(jī)組葉片斷裂問題的根本原因是：葉片防雷接引線中部斷裂，無法有效泄放雷電流，導(dǎo)致葉片遭受雷擊斷裂。而導(dǎo)致防雷接引線中部斷裂的工藝設(shè)計缺陷有：

（1）防雷線經(jīng)過多次不必要的中間對接；

（2）壓接工藝不規(guī)范、壓接不牢靠，端子與電纜容易松動；

（3）電纜剝線工藝不規(guī)范，銅芯斷裂多、截面積變小，裸露多、銅芯氧化；

（4）電纜對接工藝不規(guī)范，對接點(diǎn)容易斷裂。

四、葉片防雷設(shè)計、工藝、制造規(guī)范要求

吸取上述雷擊造成葉片斷裂的教訓(xùn)，結(jié)合以往風(fēng)電場葉片雷擊損傷故障原因；設(shè)計、工藝、制造的缺陷，往往是葉片遭受雷擊而斷裂的根本原因，也是須不斷優(yōu)化和嚴(yán)格管控的要點(diǎn)。技術(shù)人員結(jié)合自身多年設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，并吸取行業(yè)優(yōu)秀設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計要求，對葉片防雷系統(tǒng)工藝、制造、設(shè)計進(jìn)行了系統(tǒng)梳理和規(guī)范。

葉片雷擊保護(hù)的一般原理是，將雷擊電流從雷擊點(diǎn)安全地傳導(dǎo)到輪轂，用這種方法可以避免雷擊電弧在葉片內(nèi)部的形成。葉片防雷系統(tǒng)采用接閃器和引下導(dǎo)線兩部分組成，在葉尖包裹一層鋁制接閃器，葉片每隔一定的距離埋置銅制圓盤接閃器，所有的接閃器連接至敷設(shè)在葉片內(nèi)部的引下電纜線采用95mm2的截面積。敷設(shè)在葉片中引下電纜線連接至葉片安裝法蘭處。葉片防雷結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（一）葉片防雷等級

葉片的雷電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC61400-24的Ⅰ級防雷保護(hù)要求（雷電流200kA），不能導(dǎo)致葉片功能的結(jié)構(gòu)性損壞。

（二）葉片接閃器

葉尖端1個，吸力面和壓力面數(shù)量根據(jù)葉片長度而增加。接閃器材質(zhì)、最小截面、最小厚度應(yīng)至少滿足IEC62305-3防雷保護(hù)第3部分表6及表3的要求。

葉片接閃器數(shù)量需滿足表4的要求。

（三）防雷引下線

1.葉片防雷引下線通過螺栓連接至葉根法蘭上，必須確保導(dǎo)線實(shí)際接觸面積不小于兩倍的95mm2；

2.導(dǎo)線銅端子須滿足GB/T 14315－2008要求，須壓接良好，牢固無松動，拉力不小于本標(biāo)準(zhǔn)要求；

3.銅端子和導(dǎo)線連接處，需用防水絕緣膠布密封防止凝露或水汽進(jìn)入導(dǎo)線內(nèi)部導(dǎo)致導(dǎo)體氧化或腐蝕；

4.整根導(dǎo)線中間不得出現(xiàn)對接情況；

5.導(dǎo)線必須整根包覆固定，不能出現(xiàn)任何晃動；

6.導(dǎo)線應(yīng)盡量保證直線平行敷設(shè)、避免彎曲，嚴(yán)禁出現(xiàn)角度小于135°的彎曲；

7.導(dǎo)線導(dǎo)體須滿足GB/T 3956－2008中純銅導(dǎo)體要求，絕緣和護(hù)套應(yīng)有很強(qiáng)的延展性、抗拉性、抗紫外線、耐高低溫、耐腐蝕等特性；

8.接閃器、引下線接線端子及附屬金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)做好防腐措施，防腐等級滿足ISO12944-2標(biāo)準(zhǔn)要求。接觸面保持光潔、平整、無縫隙，不允許有樹脂、油漆、污穢等影響導(dǎo)電性能的物質(zhì)。

圖3 葉片防雷結(jié)構(gòu)

表4 葉片接閃器數(shù)量要求

結(jié)論

本文通過對業(yè)主某風(fēng)電場兆瓦級風(fēng)電機(jī)組葉片雷擊故障進(jìn)行系統(tǒng)排查、分析、測試等，找到了葉片遭受雷擊斷裂的根本原因。后經(jīng)與業(yè)主方、葉片廠共同研究，基于葉片遭受雷擊斷裂的原因，并結(jié)合以往風(fēng)電場葉片雷擊故障的原因，對葉片防雷設(shè)計、工藝、制造等環(huán)節(jié)進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理和規(guī)范，用于指導(dǎo)葉片的設(shè)計、生產(chǎn)。從近兩年現(xiàn)場葉片雷擊故障情況來看，葉片防雷設(shè)計、工藝、制造嚴(yán)格依據(jù)規(guī)范進(jìn)行管控后，葉片遭受雷擊斷裂的故障再未發(fā)生。

此外，從葉片雷擊故障斷裂問題的排查、分析，及后續(xù)設(shè)計、工藝、制造規(guī)范等整個過程可以看出，風(fēng)電機(jī)組防雷是一個系統(tǒng)性工程，除了確保防雷技術(shù)原理和方案的正確性外，工藝、制造細(xì)節(jié)等也是確保防雷整體效果的關(guān)鍵因素。