風電機組葉片雷擊風險分布特征分析

摘 要：隨著風電產業的快速發展，風電機組的安全性和可靠性日益受到關注。雷擊是風電機組運行過程中常見的自然災害。闡述了幾點防護建議，包括采用高抗雷性材料、優化葉片形狀及使用有效的防雷涂層，介紹了幾種雷擊風險檢測方法，通過建立風電機組模型、分析雷擊暫態效應、采集與驗證實地數據的研究方法，分析了風電機組葉片雷擊風險分布特征，以期深入研究風電機組葉片雷擊風險的分布特征。

關鍵詞：風電機組葉片；雷擊風險；分布特征；雷擊暫態效應

中圖分類號：TM315 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）05–0-03

雷擊風險作為一項重要的安全隱患，直接影響著風電機組的運行穩定性[1]。為了深入了解葉片雷擊風險的分布特征，開展了多方面的研究，通過綜合運用數值模擬、實地數據采集與驗證，以及外部因素分析的方法，深入研究了風電機組葉片雷擊風險的分布特征，旨在為風電行業提供科學的防護策略和運維指南。

1 防護設計與檢測方法

1.1 針對葉片雷擊防護設計的建議

第一，在材料選擇方面，推薦采用具有較高抗雷性的材料，如碳纖維復合材料、特殊合金等，以提高葉片的整體抗雷性。這些材料不僅具有良好的電導率，還能有效地分散雷擊造成的能量，降低損害風險。通過優化葉片的形狀設計，如增加弧度、加寬尖端，也可以減少雷擊的集中攻擊點，從而進一步提高葉片的抗雷性[2]。

第二，針對葉片表面的防雷涂層，建議選擇具備良好導電性和高耐久性的材料，以確保在長期使用過程中該涂層依然能夠發揮有效作用。通過試驗證明，這種防雷涂層具有顯著的效果，尤其在模擬不同氣象條件下的雷擊場景中。經過涂層處理的葉片在雷擊后的損傷程度降低了40%，這一結果明顯低于未經處理涂層的損傷水平，證明防雷涂層對葉片的保護具有顯著效果。這項建議不僅注重了防雷涂層材料的選擇，還通過試驗證實了其在模擬雷擊場景中的實際效果，為進一步優化葉片保護方案提供了重要的參考依據，確保葉片能夠在雷擊事件中得到充分的保護，從而維護整個風電機組的安全、穩定運行[3]。

上述綜合措施的實施旨在降低風電機組葉片受雷擊風險，提高其整體安全性和穩定性。通過優化材料、形狀設計以及防雷涂層的選擇，致力于為風電行業提供科學可行的防護策略，確保風電機組在雷電影響下能夠安全、高效地運行。

1.2 葉片雷擊的檢測方法

第一，為了確保風電機組葉片雷擊情況的實時監測和準確診斷，研究人員進行了深入而系統的研究。在傳感器選擇方面，推薦采用電場傳感器、電流傳感器，這兩種傳感器在試驗中表現出高度的靈敏度和可靠性，能夠準確捕捉到雷擊事件的關鍵參數。電場傳感器能夠精確識別雷擊的位置和強度，而電流傳感器則能夠準確測量雷電經過葉片時的電流幅度和波形。

第二，為了確保工作人員能夠全面監測葉片雷擊情況，研究人員提出了一套系統的監測設備配置方案，將電場傳感器和電流傳感器巧妙地布置在葉片的關鍵位置，使得工作人員能夠實時監測整體和特定部位的雷擊情況。通過采用智能數據采集和傳輸技術，監測數據能夠即時傳輸至中央處理系統，實現對風電機組雷擊情況的全程實時監控[4]。

第三，借助大量試驗數據，研究人員深入分析和優化了葉片雷擊檢測算法。引入了先進的信號處理和機器學習技術，進一步提升了檢測系統的準確性和響應速度。此外，通過在多個風電場環境中進行實地試驗和數據驗證，充分驗證了所提出的葉片雷擊檢測方法的高度實用性和準確性。在多次雷擊模擬試驗中，檢測系統成功捕捉并記錄了雷擊事件，準確率超過了95%。這一全面而切實可行的解決方案為了確保工作人員可以及時響應雷擊事件，為風電機組的安全性提供了可靠的技術保障。

2 研究方法

2.1 風電機組模型的建立

在研究中，研究人員精心構建了一套詳盡的風電機組模型，涵蓋了其主要組成部分，包括葉片、塔筒、發電機等關鍵組件。為了充分發揮其性能，研究人員選用了先進的50 m長的復合材料制造葉片，采用了三葉式設計，旨在最大程度地捕獲風能并減少噪聲產生。塔筒的高度達到80 m，采用高強度鋼材焊接而成，其設計目的在于提供對葉片和發電機的牢固支撐，以確保整個機組的安全穩定運行。發電機則采用了5 MW額定功率的直驅式設計，旨在提供可靠、高效的電力輸出。

在模型建立的同時，研究人員深入研究了雷電對風電機組的潛在影響。通過統計數據，發現所在地區的年平均雷電強度為20 kA；而在雷暴天氣下，則可能升至50 kA。考慮到雷電頻率，觀察到每年平均有50 d

發生雷電活動，其中有10 d是強雷電活動，這進一步提高了機組受雷擊的風險。此外，基于歷史數據和氣象記錄，研究人員確定了雷電活動的主要方向為西北—東南方向，這種方向特點使得風電機組的特定區域，如葉片前緣、塔筒頂部，更容易受到雷擊的影響。

這一全面而深入的模型構建不僅在整體結構和功能上考慮了關鍵組件的特性，而且深入研究了雷電因素對風電機組的影響。這套模型為后續的研究和分析提供了牢固的基礎，研究人員能夠更全面地理解風電機組在雷電環境下的行為和響應。

2.2 雷擊暫態效應分析

在研究中，研究人員充分運用先進的數值模擬方法，深入探討了風電機組葉片在雷擊條件下的暫態響應，以更全面地了解雷擊對葉片的影響機制。通過對不同雷電強度和方向的模擬，獲得了葉片在雷擊時的關鍵參數，如應力、變形隨時間變化的詳細情況。

具體而言，在雷電強度的分析中，研究人員明確觀察到了雷電強度與葉片損傷程度之間存在正相關性。當雷電強度從20 kA增加到50 kA時，葉片的最大應力值增加了約30%。此外，對雷電方向進行的模擬還揭示了雷電從葉片前緣垂直擊中時所帶來的顯著變形和應力響應。

研究人員還關注不同材料屬性對葉片響應的影響，發現高強度復合材料葉片在一定程度上表現出良好的抗雷擊性能。然而，在極端雷電條件下，仍存在潛在的損傷風險。這些詳盡的數值模擬分析為深入了解雷擊對風電機組葉片的影響提供了全面的視角，為未來的試驗驗證和科學防護措施的制定提供了堅實的理論基礎。通過模擬得出的結果，研究人員能夠更準確地評估葉片在雷擊條件下的性能，為優化防護策略提供有力支持。

2.3 實地數據的采集與驗證

研究人員通過在實際風電場環境中部署專業的雷擊監測設備，成功進行了雷擊監測，記錄了多次雷電事件對風電機組的實際影響（表1）。

在某次雷暴天氣中，研究人員觀測到風電機組遭受了超過40 kA的雷電強度打擊，導致葉片和塔筒的部分區域出現輕微的損傷。這些實地監測數據提供了珍貴的真實情況參考，有力地支持了數值模擬的實用性。隨后，將實地采集到的數據與之前進行的數值模擬結果進行詳細比對。結果表明，在相同雷電強度條件下，數值模擬所預測的葉片應力與實地監測數據呈現高度一致性，平均誤差僅為5%。此外，對于葉片和塔筒的損傷程度，數值模擬與實地觀測之間的差異主要集中在10%以內。這意味著數值模擬方法在模擬風電機組在雷電影響下的響應時表現出色，具有較高的準確性和可靠性。

綜上所述，通過3種研究方法的有機結合，研究人員全面了解了風電機組在實際雷電環境中的行為和反應。實地數據采集和驗證提供了實際案例支持，而對比分析則加強了對數值模擬準確性的參考。這些深入的研究成果為未來的風電機組防護設計、優化和維護提供了有力的科學基礎。

3 雷擊風險的分布特征

3.1 不同葉片區域的雷擊風險的比較

在本研究中，通過對風電場歷史數據的深入分析，研究人員細致研究了風電機組不同葉片區域的雷擊風險。具體而言，葉片根部、中部和末端的雷擊概率分別為25%、40%和20%（表2）。這些數據明確表明，受雷擊影響最為顯著的區域是葉片的中部。這一發現為在葉片設計和防護方面提供了重要的指導，強調了在中部區域加強雷擊防護的緊迫性，并提示應當通過優化材料和形狀等手段減少雷擊的概率。

同時，對不同風向和風速下的雷擊風險進行了詳細對比。在東北風和西南風的風向條件下，葉片雷擊的分布情況分別為60%和40%，說明東北風向更容易導致雷擊事件。在不同風速條件下，雷擊概率呈現出明顯的差異。當風速達到25 m/s時，雷擊概率上升至50%，而在15 m/s的風速下，雷擊概率為30%。這強調了風速對雷擊的敏感性，研究人員需要制定相應的風電機組運行策略，以降低在高風速條件下的雷擊風險[5]。

總體而言，通過對雷擊風險的全面比較和分析，深入了解了雷擊在不同區域和氣象條件下的影響特點。這為未來的風電機組設計、運行策略的制定以及防護措施的改進提供了有力的數據支持，旨在最大程度地減少雷擊風險，確保風電機組的穩定高效運行。

3.2 外部因素對葉片雷擊的影響

在研究中，深入探討了外部因素對葉片雷擊的影響，主要關注了氣象條件和雷電頻率2個方面的因素（表3）。首先，在氣象條件對雷擊的影響方面，發現在溫度維持在25～30 ℃之間且相對濕度達到70%以上的情況下，雷擊概率顯著增加，可能性高達60%。此外，不同氣象參數下雷擊路徑的比較表明在高濕度和溫度條件下，雷擊路徑更傾向于集中在葉片的上部區域。這為風電場提供了明確的氣象監測建議，強調了對溫濕度等參數的實時監控的重要性，以更好地預測和規避潛在的雷擊風險。

根據表4可知，在雷電頻率與葉片雷擊的關聯分析方面，通過對近五年氣象數據的計算，得出風電場附近的雷電頻率每年約為200次。進一步研究發現，每增加10次雷電頻率，葉片雷擊事件的發生率可能增加2.5%。而在評估雷電頻率對整個風電場的影響時，發現當雷電頻率高于平均水平時，風電場的設備故障率增加了20%。這說明雷電頻率對風電場維護和管理的關鍵影響，提示相關部門需要加強預防措施和定期檢查，以確保風電機組的正常運行。

通過深入的分析，研究人員不僅對外部因素對葉片雷擊的影響機制有了全面了解，而且為相關部門制定更為精準的防護策略，提高風電機組的整體安全性提供了重要的數據支持和科學建議。

3.3 風電場一年時間類風機各組件的損壞情況

風電場在一年的時間內，經歷了不同組件的損壞事件，其中包括雷擊導致的風葉損壞和其他原因導致的各組件損壞（表5）。由表5可知，雷擊導致的葉片損壞占總葉片損壞的70%，而在其他組件中，雷擊導致的損壞占總其他組件損壞的33.3%。

4 結束語

防護設計建議、葉片雷擊檢測方法，以及對外部因素的分析為提高風電機組的整體安全性和穩定性提供了具體可行的技術支持。研究人員全面探討了風電機組葉片雷擊風險的分布特征，為制定科學的防護策略提供了重要的數據支持。期待這些研究成果可以對未來風電行業的可持續發展和安全運行起到積極的推動作用。

參考文獻

[1] 陶家元，鄭雪娜，曹強，等.山區風電機組雷電防護技術發展綜述[J].價值工程，2023，42（4）：163-165.

[2] 顧建偉，陳維江，黃勝鑫，等.風電機組葉片雷擊風險分布特征[J].中國電機工程學報，2023，43（9）：3651-3664.

[3] Glushakow B.風電機組葉片、電子器件及人員防雷研究[J].風能，2018（12）：60-65.

[4] 武寧，馬貴東.風力發電機組雷電防護技術[J].硅谷，2012 （12）：37-38.

[5] 曾明伍，趙萍，鐘賢和，等.風電葉片的防雷技術及應用[J].東方汽輪機，2012（1）：13-19.

作者簡介：何小玲（1984—），女，廣東韶關人，助理工程師，研究方向為雷電防御。