風力發電機接閃系統失效風險定量評估方法研究

王新亮

摘? 要：本文以風力發電機接閃系統失效風險定量評估方法為研究主題，以某研究人員提出的定量評估方法為例，在經過研究后，得到相應的結論。研究人員首先將先導發展物理模型作為依據，提出了定量評估風力發電機接閃系統失效風險的方法，經葉片雷擊模擬實驗驗證后得知，這種評估方法具有非常高的可行性。建議風力發電機將葉尖包覆銅網的接閃系統型式作為主要選擇。

關鍵詞：風力發電機? 接閃系統失效? 風險定量評估方法? 研究

中圖分類號：TM614? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（c）-0010-03

Abstract： In this paper， the quantitative assessment method of failure risk of wind turbine lightning protection system is taken as the research subject， and the quantitative assessment method proposed by a researcher is taken as an example. After the research， the corresponding conclusions are obtained. Firstly， based on the physical model of pilot development， the researchers put forward a quantitative assessment method for the failure risk of wind turbine lightning protection system. Through the verification of blade lightning simulation experiment， it is known that this assessment method is highly feasible. It is suggested that the wind turbine blade tip covered with copper mesh lightning protection system is the main choice.

Key Words： Wind turbines; Air-termination system failure; Risk quantitative assessment method; Research

風力發電機在運行過程中，容易受到諸多因素的影響，其中雷擊是導致風力發電機出現故障的重要原因，在受到雷擊之后，風力發電機的接閃系統會面臨著失效風險，針對這一風險，研究領域尚未提出有效的定量評估方法。因此，本文以某研究者提出的定量評估方法為例，對此項課題展開研究，具有十分重要的意義。

1? 風力發電機接閃系統雷擊屏蔽失效的含義和計算方法

1.1 風力發電機接閃系統雷擊屏蔽失效的含義

研究者提出了一種評估風力發電機接閃系統雷擊屏蔽失效的方法，從結構上看，風機葉片的材質為絕緣材料，而接閃系統則與之相反，其材質主要以金屬材料為主，其布置形式為多個金屬葉尖，與多個葉深接閃器的結合，其中葉片內部腹板敷設的引下線，是金屬葉尖和葉尖接閃器的連接紐帶。在雷雨天氣下，由于葉尖和接閃器的材質為金屬材料，容易在雷電的影響下起始于上行先導，然后與雷電下行先導連接，如果出現這種現象，則表明葉片接閃系統具有屏蔽雷電的效果，如果雷電先導與葉身絕緣部分先行接觸，則表明接閃系統無法屏蔽葉片。

葉片表面任意一點的上行先導的實現，都會被平均電場強度所反映，二者之間具有正向關聯。我們在計算平均電場強度時，可以應用公式（1）：

在上述公式中，下行先導頭部的電勢由Udown表示;葉片表面各潛在接閃點的電勢由Ui表示;下行先導頭部由d表示。

如果葉片表面某點起始穩定上行先導，我們在表征風機葉片表面各絕緣墊遭受雷擊概率時，可以對公式（2）進行應用。

在上述公式中，葉片各點受到雷擊的概率由P表示，可以用于對葉片區域整體雷擊風險概率的表征[1]。

1.2 風力發電機接閃系統雷擊屏蔽失效的計算方法

在查閱相關資料后得知，雷云與地面之間的最小距離為2000m，而最大距離則超過了10000m，如果雷云與地面之間的距離較小，就會導致地面電場強度的產生。研究人員所設定的雷云與地面之間的距離為4000m，近地面在雷云的影響下，產生的電場強度為-15kV/km。雷云是雷電下行先導的起始點，并逐漸向地面擴散，由于雷電下行先導分支，不會對近地面造成過大的影響，研究人員得出了如下結論：雷電下行先導會逐漸向近地面發展，并且只有一條主線。

目前，海上風力發電發展十分迅速，究其原因，主要是海上風力發電效率較高，但值得注意的是，海上風力機在環境的影響下，鹽霧會在其葉片表面大量附著，這些鹽霧的附著，會導致葉片附近的電場強度和電導率增加，這種現象被稱為電荷積聚，對葉片附近空間造成的影響不容忽視，雷擊屏蔽失效率也會逐漸上升[2]。

考慮到上述影響因素，本文在建立數值計算模型時，對Comsol和Matlab進行了應用，基于雷電產生的流程，綜合考慮雷云電場和雷電下行先導通道電荷作用的影響，在此基礎上對葉片空間的電位分布進行計算。在下行先導不斷發展的情況下，被鹽霧附著的葉片表面，其電荷密度會受到空間電場的影響，繼而呈現出增加的趨勢，這對于接下來的計算，會造成極為不利的影響。在計算階段，針對上述問題，研究人員所采取的方法為Dirichlet邊界條件，計算過程如下所述：

（1）在完成風機模型的設置后，將葉片旋轉角度、雷云和雷電流初始參數輸入其中;

（2）在雷電下行先導向下發展的條件下，對空間各點的電勢和鹽霧附著層的表面電荷密度進行準確計算;

（3）對葉片表面的上行先導起始是否存在進行判斷，如果存在上行先導，則應用上述公式，對葉片表面雷擊概率分布情況進行計算;

（4）對葉片各角度的雷擊屏蔽失效率計算情況進行準確判斷，如果計算處于完成狀態，再進行風力發電機雷擊屏蔽失效率的計算[3]。

2? 計算方法的實驗驗證

2.1 設置實驗平臺

研究人員所設置的實驗平臺如圖1所示，基于這一實驗平臺，開展長間隙放電實驗。風力發電機的葉片，在工作狀態下會不斷旋轉，且旋轉范圍可達0～360°，可以從中選擇典型角度。研究人員首先在絕緣臺上放置模型，放置的方式為水平放置，通過對引下線的使用，將其與地端子相連接。與此同時，還要將電極設置到樣件中心的正上方處。電極長度=20cm。在電極設置完成后，將標準雷電波形施加到電極之中，電壓幅值+500kV，放電擊穿率為100%。此外，本次實驗還設置了3組不同的實驗，模擬不同鹽霧附著程度的葉片，每組的實驗次數為15次。為實現對海上鹽霧情況的真實模擬，對去離子水進行了使用，通過配置人工海水的方式，模擬海上風力發電機的運行環境，在測量后得知水的鹽度為每升35g，最后應用固體層法，使鹽水附著于葉片表面。

2.2 實驗結果

研究人員使用數碼相機拍攝了各組實驗的放電路徑，并將其集成于一張圖片之中，在此基礎上統計分析葉片表面接閃點的位置，為了對接閃點在葉片表面分布進行準確評價，集成圖片中的葉片表面的滑閃被完全去除。實驗結果表明，無鹽水的接閃失敗次數為5次，在計算后得知，風力發電機接閃系統雷擊屏蔽失效率為33%;近葉尖1/2附著鹽水的葉片，其接閃失敗次數為8次，計算后得知，風力發電機接閃系統雷擊屏蔽失效率為53%;表面全附鹽水的葉片，其接閃失敗次數為13次，故風力發電機接閃系統雷擊屏蔽失效率為87%。由此得出如下結論：研究人員應用上述計算方法得到的結果，與實驗結果相符，證明研究人員所提出的計算方法，具有良好的應用價值[4]。

3? 風力發電機雷擊屏蔽失效率的應用研究

3.1 風機旋轉角度對雷擊屏蔽失效率的影響

將上述公式（1）和（2）作為依據，在計算后可以獲得風力發電機葉片表面受到雷擊的概率，計算結果表明，遭受雷擊概率最大的區域為葉片前的5m范圍內，這個結果與其他文獻給出的統計結果相等。除此之外，葉身接閃器遭受雷擊的概率也非常高，故可以起到保護葉身的作用。此外，引下線會導致電場畸變，在觀察概率圖后得知，與引下線相對應的葉身區域，呈現出山脊的形狀，這表明沿著引下線的葉身表面，相較于其他區域更容易遭受雷擊。

假定葉片的旋轉速度不變，同時使葉片的旋轉過程保持恒定，在計算后可以獲得葉片不同位置的雷擊屏蔽失效率，應用研究人員所提出的計算方法，所得到的計算結果為0.247，與動態擊距法之間的差距為0.039。考慮到平均強度比值是本文提出方法的基礎，因此與實際物理機制更加契合。

3.2 鹽霧附著對雷擊屏蔽失效率的影響

考慮到鹽霧在葉片上附著，會導致其雷擊屏蔽失效率受到不良影響，而海上所運行的風力發電機，其葉片在環境的影響下，必然會附著鹽霧，如果長期得不到處理，隨著鹽霧濃度的增加，其表面會形成一層鹽水膜。在葉片的旋轉作用下，葉片與葉尖距離較近的位置，其濃度會超出其他區域。因此，研究人員在分析過程中，對接閃器-引下線型式接閃系統葉片進行了應用，研究其在鹽霧附著狀態下的遭受雷擊的概率。結果如下所述：（1）如果葉片被鹽霧附著，其遭受雷擊的概率和區域會呈現出不斷增加的趨勢，具體范圍是葉片前的15m;（2）由于附著鹽霧的葉片容易遭受雷擊，故這一區域的葉身，其接閃器效率會顯著下降，無法達成預期的保護效果。計算結果表明，與無鹽霧附著的葉片相比，存在鹽霧附著的葉片，其雷擊屏蔽失效率會不斷上升。

3.3 接閃系統結構型式對雷擊屏蔽失效率的影響

實驗結果表明，應用傳統接閃器-引下線型式的葉片接閃系統，由于制造成本低廉，故具備加強雷擊防護能力的條件，但在加強雷擊防護能力之后，其雷擊屏蔽失效率依然高達1/4。此外，引下線的敷設方式，所依靠的對象為葉片內部主梁，但是在受到雷云和雷電下行引導的影響后，周邊電場強度會發生改變，這種改變被稱為畸變，與引下線存在密切關聯的葉片表面區域，其電場強度會逐漸改變，使葉片遭受雷擊風險的概率大幅度上升。并且在受到雷擊后，雷電弧進入葉片的概率會持續增加，在超過臨界值后，葉片會因此而破裂。

4? 結語

綜上所述，風力發電在近些年受到了我國的高度重視，故呈現出良好的發展態勢，但就實際情況來看，風力發電機在運行過程中，容易在雷擊的影響下，出現各種故障，故風力發電機均設置了接閃系統。但這些接閃系統卻存在失效的風險，尤其是位于海邊的風力發電機，葉片會附著鹽霧，導致接閃系統的失效概率增加，無法保證風力發電機的安全。在計算和實驗后得知，葉尖包覆銅網的接閃系統結構具有良好的應用效果，建議電力企業采用。

參考文獻

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[3] 黃勝鑫，陳維江，賀恒鑫，等.風力發電機組下行雷擊風險計算方法[J].中國電機工程學報，2019，39（12）：3541-3551.

[4] 姚丙義.永磁直驅風力發電機組的防雷接地保護探討[J].現代商貿工業，2019，40（13）：180-181.

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