雷電導流條在風力發(fā)電葉片防雷改造中的應用

黃有慧，易 華，楊瑞志

(東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

在我國的西南、東南沿海地域，雷暴等自然災害出現(xiàn)的頻率越來越高[1]。伴隨著風力發(fā)電機組的容積不斷加大，雷電對機組的損耗也越來越大。現(xiàn)階段風電機組的止損防雷問題已經(jīng)引起了業(yè)主、主機廠、葉片生產(chǎn)商等有關單位的關注。根據(jù)各零件損耗等級來分類，可知風力發(fā)電葉片雷擊損耗是眾多損耗中最為嚴重的，其后果為嚴重的風力發(fā)電葉片穿孔、風力發(fā)電葉片開裂，甚至造成風力發(fā)電葉片的斷裂。現(xiàn)有研究成果顯示，假設風力發(fā)電葉片裝置雷電導流條，那么雷電對風力發(fā)電葉片的損耗將減少，同時能增加風力發(fā)電葉片對雷電的防治能力[2]。

1 雷電導流條簡析

雷電導流條是將雷電安全導入地下的能量轉換裝置。雷電導流器的概念最早出現(xiàn)于 1752年，出自富蘭克林所創(chuàng)造的避雷針，后傳入中國，廣泛應用于飛行器的雷電防御[3]。根據(jù)結構分析，雷電導流器是由系統(tǒng)的、超薄的、具有導電性能的金屬片用絕緣材料連接構成，其細節(jié)處的粘接是由復合型材料完成。雷電導流條的工作原理如圖1所示。通常情況下超薄金屬片之間的連接常有縫隙，所以導致出現(xiàn)斷電狀態(tài)，雷電導流條是絕緣體，單獨的超薄金屬片不會產(chǎn)生電流；但是當雷暴肆虐時，兩個臨近的超薄金屬片的兩端就會產(chǎn)生巨額電荷，從而形成羽毛狀電弧，電壓達到峰值的時候，電荷將會穿過金屬片之間的空氣，制造電離通道，接下來由雷暴產(chǎn)生的巨額電流就可以通過此通道被引導到地下。

圖1 導流條工作原理Fig.1Working principle diagram of lightning guide bar

2 導流條接閃特性仿真分析

風力發(fā)電葉片的防雷系統(tǒng)通過已經(jīng)安裝完畢的風力發(fā)電葉片上的接閃器來傳導雷電電流，從而達成定點引雷的目的。由于接閃器是由金屬材料構成的接地導電儀器，雷云的出現(xiàn)一般會造成高壓環(huán)境，很大程度上會發(fā)生上行先導與雷電下行先導的并行接觸，從而將雷電電流傳導于該位置。對風力發(fā)電葉片進行雷電電流依附仿真實驗分析，在仿真軟件中對葉尖上的防雷模型進行 3D建模，然后通過實驗結果開展雷擊依附簡析。因接閃器和導流線都是金屬制成，都有可能引發(fā)上行先導，故實驗需要建立在符合風力發(fā)電葉片設計原理的基礎上。

風力發(fā)電葉片的葉尖部分用來接引下線，導致葉尖部分周邊環(huán)境的電勢降低，較易把雷電電流傳導至風力發(fā)電葉片的葉尖部分，但葉尖部分的防范能力是有限的。風力發(fā)電葉片裝備雷電導流條之后，從仿真實驗可以觀察到，除風力發(fā)電葉片的葉尖部分外，雷電導流條所在區(qū)域的電勢差有所降低，較易變成雷擊依附點，因而加大了風力發(fā)電葉片防治雷電的區(qū)域。需要注意的是，風力發(fā)電葉片的下引線的電勢同樣是很低的，表明這片區(qū)域的上行先導的發(fā)生率升高[4]。另外，根據(jù)現(xiàn)場被雷擊中的風力發(fā)電葉片的損耗程度以及對被雷擊中的組織結構解剖分析，確認雷電只是打穿風力發(fā)電葉片表面部分的鋼化玻璃結構，再一次擊中其下引線。所以在安裝雷電導流條的時候，應該達到該組織對雷電防治的標準。依據(jù)仿真實驗結果，應該在風力發(fā)電葉片與其下引線之間的部分安裝雷電導流條，使雷電導流條能夠造成更低的電勢差區(qū)域，才利于雷電導流條接閃。

3 導流條接閃特性實驗驗證

為驗證雷電導流條對于風力發(fā)電葉片的雷電防治功能的提高程度，采取 IEC 61400—24條例里的“雷電實驗”來驗證風力發(fā)電葉片高壓依附點的接閃能力。

首先針對無粘貼關系的雷電導流條開展雷電試驗，根據(jù)條例要求先進行 54次雷擊實驗，依次將風力發(fā)電葉片以 90°、60°的角度連接接閃器，實驗結果接閃器成功運作[5]；當以 30°的角度對高壓平板電擊時開始出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，繼續(xù)以同樣的角度連續(xù)試驗2次，結果均顯示有擊穿現(xiàn)象。這說明風力發(fā)電葉片在現(xiàn)實環(huán)境中處于這個角度較易出現(xiàn)雷擊損耗風險，而且還存在二次傷害的可能性。

在已經(jīng)被雷擊穿的風力發(fā)電葉片上安裝雷電導流條，繼續(xù)進行雷擊試驗，直接以 30°的姿態(tài)進行測試接閃，實驗結果接閃成功，在 5°～10°同樣成功接閃。由此實驗結果可以得出，風力發(fā)電葉片在安裝了雷電導流器之后，其自身的雷電防護系統(tǒng)的性能得到大幅提升。