關(guān)于某風(fēng)電場葉片葉尖斷裂事件的分析

金鵬

摘要：本文對某山地風(fēng)電場風(fēng)機葉片葉尖斷裂原因進行了分析，指出了該型風(fēng)力發(fā)電機組葉片的設(shè)計和選址缺陷。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機組;雷擊;山地風(fēng)電場;葉尖斷裂

0引言

某風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電機組遭遇雷擊，導(dǎo)致風(fēng)機葉片葉尖發(fā)生折斷，找到葉片招收雷擊的原因為以后預(yù)防此類事件的發(fā)生提供了指導(dǎo)意義。

1 事件經(jīng)過

2020年4月24日，某風(fēng)電場發(fā)生局部雷雨天氣，現(xiàn)場大霧，能見度10米至20米，風(fēng)電場平均風(fēng)速為3.68m/s。 2020年4月25日，天氣晴，風(fēng)電場在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)12號風(fēng)機2號葉片葉尖發(fā)生損壞，此時12號風(fēng)機處于停機狀態(tài)。

2 風(fēng)機現(xiàn)場檢查情況及工作記錄

2.1現(xiàn)場檢查情況

2.2.1 現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)12號風(fēng)機2號葉片葉尖整體被打掉，葉尖的接閃器丟失，引雷導(dǎo)線外露。蒙皮和葉尖腹板掉在風(fēng)機平臺（圖3、圖5），葉尖外蒙皮因雷擊時溫度過高，紅色油漆瞬間碳化（圖4）。

2.2.2 12號風(fēng)機登塔檢查情況

登機檢查輪轂內(nèi)部2號面的避雷導(dǎo)線、集電環(huán)、碳刷、不銹鋼避雷支座、避雷導(dǎo)線、機艙至塔基接地線及接地線與地網(wǎng)連接未發(fā)現(xiàn)異常。

2.2 風(fēng)機工作記錄

查12號風(fēng)機接地電阻測試及最近一次避雷檢查記錄，氣象局于2018年8月21日對風(fēng)電場12號風(fēng)機接地網(wǎng)進行了接地電阻檢測，其接地電阻為3.56Ω，小于4Ω的設(shè)計值;2018年11月30日由風(fēng)機葉片專業(yè)隊伍完成了】12號風(fēng)機葉片下吊籃檢查，對葉片的回路電阻進行測試，測試值為49.5mΩ，低于50mΩ的設(shè)計值;2019年9月5日由高壓預(yù)防性試驗單位對12號風(fēng)機地網(wǎng)進行了接地電阻檢測，其3次的測試值均小于4Ω的設(shè)計值;2020年3月5日對12號風(fēng)機組織開展了避雷系統(tǒng)專項檢查，避雷系統(tǒng)及葉片未發(fā)現(xiàn)異常。

3 XE82-2000型風(fēng)機防雷簡介

12號風(fēng)機的葉片是中航惠騰生產(chǎn)的HT40B型葉片，每片葉片上安裝3個接閃器;葉片避雷回路與輪轂避雷回路是通過碳刷與弧形板滑動連接;輪轂與主軸承通過碳刷連接。

湘電風(fēng)能系列風(fēng)機避雷系統(tǒng)由外部直擊雷防護系統(tǒng)和內(nèi)部感應(yīng)雷防護系統(tǒng)組成。

風(fēng)機外部直擊雷防護系統(tǒng)主要由輪轂避雷系統(tǒng)、機艙避雷系統(tǒng)、塔筒避雷系統(tǒng)、塔基避雷系統(tǒng)和基礎(chǔ)接地網(wǎng)五個部分組成。其中輪轂避雷系統(tǒng)與機艙避雷系統(tǒng)通過碳刷相通，機艙避雷系統(tǒng)通過機艙接地匯流排與塔筒避雷系統(tǒng)相連，塔筒避雷系統(tǒng)和塔基避雷系統(tǒng)與基礎(chǔ)接地網(wǎng)通過塔筒底部接地匯流排相連。

輪轂避雷系統(tǒng)又分為兩部分，葉片避雷系統(tǒng)和輪轂避雷系統(tǒng)。葉片避雷主要通過接閃器、避雷導(dǎo)線、碳刷與輪轂的避雷系統(tǒng)相連接。輪轂避雷則直接利用碳刷將雷電從輪轂引至發(fā)電機定子支架再通過避雷導(dǎo)線引至機艙接地匯流排。

機艙避雷系統(tǒng)主要由發(fā)電機外殼、發(fā)電機定子支架、機艙避雷針、機艙接地匯流排和機艙至塔筒底部接地匯流排之間的避雷導(dǎo)線組成，相互之間通過50mm2的多股軟銅線相連。

風(fēng)機塔筒高80米，分為3節(jié)，塔筒與塔筒之間通過法蘭連接，因法蘭連接之間涂有密封膠，固塔筒與塔筒之間通過法蘭接地線相連。雷電在塔筒的傳輸路徑主要是通過法蘭接地線將雷電引入塔筒底部接地匯流排。

塔基避雷主要是變壓器、變頻器、水冷控制柜、塔基控制柜等設(shè)備的避雷，其避雷主要通過屏柜或設(shè)備的外殼接地與塔筒底部接地匯流排相連實現(xiàn)。

4 風(fēng)機防雷的困難

4.1 風(fēng)電場中的風(fēng)力發(fā)電機組相互電連接且往往位于接地條件不好的區(qū)域。風(fēng)力發(fā)電機組都設(shè)置在風(fēng)力強大的地區(qū)，例如12號風(fēng)機這種典型的山脊，而這些地區(qū)正是雷電多發(fā)區(qū)。由于都愿意將風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)置在高于周圍地區(qū)的制高點，并且遠離其他高大物體，因此它更加能吸引雷電。12號風(fēng)機海拔為1878米，是周圍臨近12臺風(fēng)機中第二高的風(fēng)機。

4.2 通常，現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機組的葉片用復(fù)合材料制成，例如用玻璃纖維增強塑料或木材層壓板。由于這些材料不能傳導(dǎo)雷電流，用這類材料制造的葉片，且未加防護，雷擊時總是出現(xiàn)損壞。因此，對這類葉片作防雷要求是重要的。

5 原因分析

12號風(fēng)機葉片在雷暴天氣下遭受到雷擊。接閃器接到雷電后經(jīng)引下線泄流，由于本風(fēng)機引下線存在機械損傷，材質(zhì)采用多股鋁導(dǎo)線，泄流能力較 銅導(dǎo)線弱，加之導(dǎo)線絕緣內(nèi)部受潮、氧化、電阻增大，導(dǎo)致發(fā)熱。在 電、熱和電動力效應(yīng)的聯(lián)合沖擊下，引下線在距接閃器 1 米左右處斷開。此時雷電流無法通過引下線釋放能量，雷電流在葉片內(nèi)部對梁帽 放電，在梁帽的邊緣復(fù)合材料處形成電弧通道，因為梁帽邊緣復(fù)合材 料受潮，內(nèi)部電弧加熱潮氣引起壓力沖擊，使梁帽和腹板在距葉根三 分之一處分離斷裂。葉片蒙皮沿前、后緣分成兩片垂到風(fēng)機兩側(cè)。

6 葉片問題

6.1該風(fēng)場機組每片葉片接閃器數(shù)量為 3 個，12號風(fēng)機的葉片長度為40.3m，根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電機組雷電防護系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（NB/T 31039—2012）》所出的標準，對于葉片長度30m≤L<45m的風(fēng)機，葉尖端接閃器1個，壓力面接閃器2個，吸力面接閃器2個（分布在轉(zhuǎn)動的葉片上）。12號風(fēng)機的接閃器數(shù)量明顯偏少，不滿足要求，且根據(jù)歷年來的雷擊記錄，的風(fēng)機歷史雷擊造成葉片損壞次數(shù)明顯高于其他區(qū)域的風(fēng)機，且發(fā)生雷擊的風(fēng)機絕大多數(shù)為高海拔風(fēng)機。12號風(fēng)機所處區(qū)域，歷史發(fā)生過4次風(fēng)機葉片被雷擊事件，證明此區(qū)域是雷暴頻發(fā)區(qū)域。

6.2引下線材質(zhì)，風(fēng)機葉片的引下線材質(zhì)為鋁。國標 GB/Z 25427-2010《風(fēng)力發(fā)電機組 雷電防護》中給出兩種常用材質(zhì)鋁、銅兩者電阻率。同種長度、截面積的導(dǎo)線，鋁導(dǎo)線電阻是銅導(dǎo)線的 1.63 倍，銅導(dǎo)線較鋁導(dǎo)線的載流能力要強。標準描述 B 型葉片引下線材質(zhì)為銅絲，采用鋁線明顯不如銅絲通流能力強。

參考文獻

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[2]劉靖，張潤華.風(fēng)電場運行維護與檢修技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

[3]GB 50057-2010. 建筑物防雷設(shè)計規(guī)范[S]. 2010

個人簡介：金鵬，1993年10月，男，漢，湖南邵陽人，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：風(fēng)電運維。