風力發電機組葉片雷擊損傷及防護措施

馬磊

摘要：近幾年新建的風電場大多數都選址在高山上，地形復雜，雷暴日較多，隨之而來的是風力發電機組葉片受雷擊的風險也進一步加大。葉片在風電機組中位置最高，是雷擊的首要目標，是最容易受到雷擊損傷的部件，因此葉片是整個風電機組防雷保護的重點。對此，該文就風力發電機組葉片雷擊損傷的機理及防護措施進行簡單的分析，并提出一些可供參考的意見與措施。

關鍵詞：風力發電機組葉片雷擊防護

中圖分類號：TM315文獻標識碼：A ? 文章編號：1672-3791（2022）01（a）-0000-00

Lightning Damage of Wind Turbine Blade and its Protective Measures

MA Lei

（Three Gorges new Energy Shidian Power Generation Co.， Ltd.， Baoshan， Yunnan ? Province，678200 ?China）

Abstract：In recent years， most of the newly-built wind farms are located on high mountains， with complex terrain and more thunderstorm days， followed by the further increase of the risk of lightning stroke on the blades of wind turbines. The blade is the highest position in the wind turbine， which is the primary target of lightning stroke and the component most vulnerable to lightning damage. Therefore， the blade is the focus of lightning protection of the whole wind turbine. In this paper， the mechanism and protective measures of lightning damage to wind turbine blades are briefly analyzed， and some suggestions and measures for reference are put forward.

Key Words：Wind turbine; Blade; Lightning strike;Protect

雷擊是對風電機組安全穩定運行危害最大的一種自然災害。閃電釋放的巨大能量會對風機葉片造成損壞。根據IEC/TC88工作組的統計，遭受雷擊的風電機組中，葉片損壞的占20%左右。葉片是風力電發電機組最重要的部件之一，也是所有部件中最容易受到雷擊的部件。大部分雷擊事件只是損壞葉片的葉尖區域，少量的雷擊事件會使整個葉片損壞。因此，葉片的防雷措施非常重要。

1 風力發電機葉片結構和損害機理

1.1 葉片結構

現代葉片是用復合材料，比如釆用玻璃纖維增強塑料、木材、層壓板以及碳纖維增強塑料等制成的大型中空結構件。碳纖維增強塑料通常用于葉片增強結構。或特殊部件，例如用于連接葉尖制動器（失速型葉片）的碳纖維軸。

根據所采用的控制和制動方式以及所采用的絕緣和導電復合材料，葉片可以分為幾種類型。根據不同的制動機構給出5種，如圖1所示。

類型A葉片在前緣使用襟翼（副翼）制動系統。對于A型葉片，雷擊點通常都是在鋼質釵鏈處，通常， 用于操作襟翼的鋼纜通常是受損最嚴取的地方，因為鋼纜截面通常不足以傳導雷電的沖擊電流。

類型B葉片采用一套通過彈簧力保持工作位置、高速旋轉離心力釋放制動的葉尖制動系統。對于B型葉片，雷擊附著點主要限于距離葉尖軸外沿幾十厘米的地方，或者位于葉尖軸最遠端點的側面。從雷擊附著點開始直到葉尖軸的端點外沿的葉片葉尖部分，將會形成一個雷電電弧;在主葉片內部，直至葉片根部的鋼質安裝法蘭處，將會形成一個電弧。這種內部電弧不可避免地會導致對葉片的損傷。A型和B型葉片通常用于老式的風力發電機組，機組容量在100kW。

C型葉片是一種釆用鋼絲繩控制的葉尖制動器的葉片。對于C型葉片來說，雷擊附著點常見于距離葉片外緣最遠端十幾厘米的地方，或者位于葉尖軸端點最外沿的側面。對于C型和B型葉片來說， 在雷擊附著點與軸的外沿形成雷電電弧將會導致嚴重損傷。對于C型葉片來說，對于主葉片的損傷主要是在鋼絲繩無法承載雷電電流所導致的。

D型葉片完全由非導電材料制成。經驗顯示，雷擊附著點通常位于葉尖，這一點與其他類型的葉片相同。與其他類型的葉片相比，其不同之處在于，雷擊附著點可能會沿著葉片呈隨機性分布。

E型葉片中的部分構件采用碳纖維（碳纖維部件）材料制成，因為這種材料具有理想的機械特性。取決于具體設計，碳纖維材料可以用于增強葉片表面，用于承載的結構部件，以及內部翼梁和主層壓件。由于其具有良好的電性能，可以將其集成到雷電保護系統，構成引下線系統的一部分。

1.2 葉片損傷機理

當葉片受到雷擊時，會釋放巨大的能量，進而使葉片的溫度急劇上升，葉片由于受到高溫影響迅速膨脹、壓力大幅上升從而出現爆裂現象。相關研究人員對葉片內水汽的熱膨脹進行了測試，發現水蒸氣在電阻加熱情況下氣體機會迅速上升，由于葉片內部不同材質、不同結構的水蒸氣分布差異較大，因此很容易在遭受雷電后出現急劇膨脹的現象，從而造成葉片損害，如邊緣開裂、黏結處開裂、縱向裂紋等，嚴重時葉片部分甚至會全部損壞。在一些較為特殊的條件下，壓力波甚至會沿著被雷擊襲擊的葉片傳播，通過風機輪轂進一步傳導至另一葉片，造成多個葉片的故障。其次，風機葉片中位于葉片內部的導體與葉片尖部的雷擊點一般是內部電弧出現的位置，其受損位置主要集中于葉片尖端區域，主葉片并不會受到損傷。雷擊造成的葉片損壞通常分為電效應、熱效應以及機械效應。葉片開裂（機械破壞）、金屬部件熔化或燒壞及復合材料表面灰化（熱效應）是葉片遭受雷擊之后較為典型的損壞方式[1]。

因此，對葉片造成嚴重損傷的原因，就是由于在葉片內部圍繞雷電電弧所形成的沖擊壓力波。只有通過減輕雷電對葉片的沖擊、將雷擊通道屏蔽在葉片外部才可以減輕葉片的損毀。在雷電電流通過截面積不夠大的金屬構件傳導時，所形成的損傷將比較輕微[2]。

2 防護措施

葉片雷電保護的一般性問題就是將雷電電流從附著點傳導至輪轂，以避免在葉片內部形成電弧。這可以通過使用固定在葉片表面或葉片內部的金屬導體，將雷電電流從附著點沿葉片表面導引至葉片根部來實現。另外一種方法就是在葉片表面材料中添加導電材料，從而使葉片具有足夠的導電性能，以便將雷電電流安全地傳導至葉片根部[3]。

2.1 葉片表面或內嵌在葉片表面的雷電接閃器系統

葉片表面上用作接閃器系統或引下線系統的金屬導體應具有足夠的橫截面，以便能夠承擔直接電擊，將雷電電流完全傳導出去。此外，還需要某些特殊規格的導體，以便能夠可靠地固定在葉片表面。對于鉛制雷電接閃器來說，最小橫截面積為50 mm2，對于這種規格的導體來說，要實現在葉片表面的可靠連接可能會是一個難題。此外，安裝在葉片表而的導體可能會損害葉片的空氣動力學性能，或產生不希望的噪聲。

對于嵌入在葉片內部的避雷導體來說，通常采用鋁制或銅質導線或編織物。將金屬導體連接到葉片根部，通常是將其放置在葉片表面沿葉片后緣的位置或者是嵌入在葉片后緣。有一些葉片設計沿葉片前緣與后緣都設置金屬導體。此外，一些葉片設計中含有金屬接閃器，該接閃器設置在葉片表面，并安放在葉片上的各個位置。每個接閃器都被連接至葉片內部的導體。

2.2粘附金屬帶和分段分流條

幾個案例中都使用了裝置在葉片表面的粘附金屬帶。采用金屬帶來解決雷電防護問題將是一個有吸引力的解決方案，特別是作為一個對現有未加保護的葉片進行升級、改造的方法。但應當注意的是，大規模的壓力沖擊波通常都是與將雷電導引至葉片表面相關聯的。這可能會導致對葉片造成結構性損傷。過去一段時間，人們進行了一些分段導流條實驗，其試驗結果頗具前景。這些分段導流條被用于飛機的雷達罩上，因為它們不會對雷達信號產生干擾。

2.3內部引下線系統

與將導體放置在葉片表面相對應的另外一種解決方案就是將雷電導體安置在葉片內部。導體的金屬配件將會穿透葉片表面，用以作為離散式雷電接閃器。目前，這種雷電保護系統已經被用在飛機上。

對于目前所生產的許多葉片，其所釆用的雷電保護系統都是在葉尖安裝接閃器。一條內部引下線將雷電電流從接閃器傳導至葉片根部。對于配備了葉尖制動系統的葉片來說，控制葉尖的鋼絲繩被用作引下線。如果葉片沒有葉尖制動系統，那么沿內部翼梁安裝的一條銅質導線將被用作引下線。

2.4 將導電材料應用到葉片表面

一種將雷電接閃器系統端接在葉片表面的替代方案就是讓葉片表而也具有導電性。在航空工業，已經實現了通過采用玻璃和碳纖維復合材料，并在外層中添加導電材料，從而實現暴露于雷電的機翼和表面的雷電防護，以降低對雷擊附著點區域的損傷。所使用的導電材料可以是噴涂在表面的金屬，在復合材料外層所噴涂的金屬纖維涂層，編織在復合材料外層中的金屬導線，以及安裝在表面下的金屬網。對葉片的雷電保護是通過在膠衣下沿葉片表面安裝金屬網來加以實現。有時候，葉尖要么是使用金屬制成，或使用金屬板進行覆蓋[4]。

3 實際案例

以某風電場風機葉片加裝防雷網工程為例。

3.1工程概況

該風電場位于高山山脊上，山脊為南北走向，長約12 km，高程在2 500 m～2 900 m之間，場內以高山草地為主。風電場共安裝24臺風力發電機組，單機額定功率為2.0 MW，機型為水平軸、三葉片、上風向、變槳、變速、恒頻雙饋風力發電機組，葉輪直徑110 m，輪轂高度85 m。并配套建設一座110 kV升壓站，所發電能通過110 kV線路接入電網[5]。

2017年到2018年，該風電場頻繁發生風機葉片遭雷擊事件，導致風電機組長時間停運，累計年平均發生7臺次，給設備的安全穩定運行帶來較大影響。當風機葉片遭雷擊后，輕則被灼傷重則開裂;如果現場維護人員沒有及時發現葉片損傷時，風機持續運行將存在巨大的安全隱患（倒塌）。該風場風機葉片僅在根部至葉尖25 m、36 m、42 m共3處安裝了金屬接閃器，以便風機葉片遭雷擊時將雷電能量導入大地。但風機葉片運行時遭雷擊點不在以上三個部分和葉尖（金屬部分，也可導流）時，將會對風機葉片造成巨大損傷。為了減少風機葉片被雷擊的次數，降低雷擊的損傷，減少電場運維成本及電量的損失，對全場24臺風機葉片加裝防雷網，使葉片起到保護作用[6]。

3.2技術方案

在風機的三支葉片葉尖接閃器連接處加裝避雷金屬網。使用記號筆和尺子，確定避雷金屬網安裝位置，并做好標記。將連接葉尖接閃器殼體表面打磨粗糙。在殼體表面刮涂一層結構膠，鋪設避雷銅網（見圖2），并輥壓，使避雷銅網和殼體黏結。在葉尖放置鋁條并在避雷網和鋁條上表面糊制一層表面氈。用M8的電鉆將銅片進行打孔—用M10的絲錐進行攻絲—擰入鋁制螺栓（圖3），為保證銅板連接牢固，銅板采用2顆螺栓連接到接閃器上。

對風機葉片加裝防雷網后運行情況進行分析，風機葉片遭雷擊故障停機次數由7次/年降為2次/年，下降率為71.43%，降低了現場風機葉片因雷擊導致的故障停機次數后，同時也降低了風機因雷擊導致的故障停機時間，減少了發電量的損失，為公司增加了經濟效益。為風力發電機組的安全可靠運行提供了有利條件[7]。

4結語

該文分析了葉片雷擊損壞的現象與機理，闡述了葉片防雷擊的措施，以及降低葉片遭受雷擊的概率與損毀程度。實際案例證明，在葉片尖部區域安裝金屬網能夠提高攔截效率，減少雷擊次數，對保護風機葉片，提高風機穩定運行起到了非常重要作用。風機葉片是最易受雷擊的部件，并且價格昂貴，因此葉片是整個風力發電機組防雷保護的重點，必須引起廣大技術人員的高度重視。

參考文獻

[1]朱煥芬，王林，孫立賓.風力發電機組的防雷設計[J].東方電氣評論，2013，27（3）：44-48.

[2]苑東雨.風力機組的防雷重要性和防雷措施[J].湖北農機化，2019（22）：91.

[3]仇艷龍.風力發電機葉片雷擊損害機理及有效防護[J].科技與企業，2013（17）：283.

[4]薛浩鵬，劉孟，杜鳴心，等.風電葉片接閃器腐蝕前后的雷擊損傷機理仿真研究[J].天津科技，2020，47（8）：47-50，54.

[5]岳彥山，武靜，袁維瀚，等.陸地上風電葉片雷擊損傷研究[J].江蘇科技信息，2020，37（33）：36-38.

[6]張黎，姜力楊，蓋歆楠，等.風機葉片材料雷擊熱損傷特性及損傷機制的分子動力學研究[J].中國電機工程學報，2020，40（3）：1009-1020.

[7]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.