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前 言 風輪葉片是風力發電機組中最容易遭受雷擊的部件，提高葉片的雷電防護效果是保證風力發電機組連續穩定運行的因素之一。參考相應的標準，并根據實際情況，對葉片雷擊損傷因素進行了分析，提出了一些可提高葉片的雷電防護效果的優化設計思路與方法。 關鍵詞 風力發電；風輪葉片；雷電防護 0 引言 風能是世界上清潔能源利用中最具商業價值的能源，是未來可再生能源領域里重要一員。目前，風力發電機組的裝機量越來越大，與之相配套的葉片防雷技術的發展也在發展。葉片防雷技術會影響風力發電機組的可靠運行，隨著風力發電機組高度和葉片長度的增加，雷擊風力發電機組和葉片的概率也會增長。風輪葉片是風力發電機組中最容易遭受雷擊的部件，其良好的防雷設計是保證風力發電機組連續穩定運行的決定因素。 1 風力發電機組遭受雷擊現狀 風電機組一般都設置地理位置較高的區域，由于周圍缺少其他高大物體，因此它更容易吸引雷電。另外，隨著風場的開發，雷暴日較少的風場其裝機已接近飽和，很多機組不得不安裝在雷暴條件比較惡劣的地區。 從葉片雷擊的損傷位置來看，葉片尖部區域更容易遭受雷擊，從葉片切面來區分的話，后緣比前緣更容易遭受雷擊。 從葉片受雷擊的損壞程度來看，接閃器的損傷是最容易修復的；考慮葉尖區域的受力和結構特性，該區域的殼體損傷也相對容易修復；如果在葉片中部，雷擊造成了引下線的損傷，就比較難修復了；更嚴重的雷擊則會造成葉片本體大范圍的損傷，葉片則需要整體更換。 2 葉片防雷方式簡介 雷電防護的機理為接閃器定點引雷接閃、引下線導流。現代的風輪葉片的防雷系統主要由葉尖接閃器、葉身接閃器、引下線系統組成。發生雷擊時通過接閃器接閃，然后通過葉片引下線系統傳導至主機引下線系統，最后將雷電導入大地。該方案是葉片防雷最通用的一種方法，其效果也得到了實際運行的驗證。 3 葉片防雷設計參考 可用于指導葉片進行防雷設計和驗證的標準主要有IEC61400-24和GL規范。 關于葉片上應該布置的接閃器數量，GL規范中給出了相關的建議，根據最新版的規范，建議的接閃器數量如下： a) 葉片長度L<> b) 葉片長度20m≤L<> c) 葉片長度30m≤L<> d) 葉片長度L≥45m：葉尖端接閃器1個，壓力側接閃器3個，吸力側接閃器3個，分布在轉動的葉片上。[1] 在IEC61400-24中給出了建議的接閃器規格和引下線的規格，并對葉片雷擊試驗給出了指導性意見。建議通過高壓和大電流試驗來驗證接閃器系統和雷電引下線是否能夠攔截雷擊并傳導雷電流。[2] 4 葉尖容易遭受雷擊的一些因素 由于葉片的尖部更容易遭受雷擊，有必要對該問題進行相應的分析，如果能夠有效的解決葉尖雷擊的問題，那么葉片的防雷問題可以得到很大的改善。 1）風輪葉片的位置 風力發電機組所在地的地勢比較高，葉片是風機運行中的最高位置，因此葉片尖部是最容易遭受雷擊的部位。 2）葉片結構及引下線布置 葉片引下線布置在葉片內腔，它的位置和葉片殼體的絕緣性能都能影響到葉片表面的電場分布。葉片殼體絕緣性能下降，會造成雷電到引下線的擊穿電壓變小，使雷電越來越容易擊穿葉片表面，直接擊中到引下線。 a) 從葉片根部向葉片尖部，葉片截面變得越來越小，這樣，引下線到葉片表面的距離也越來越短，兩者之間的擊穿電壓也變的越來越小了。 b) 葉片引下線在未到達葉片尖部時，一般會布置在腹板的中心位置，該位置距離葉片外表面都是空間最遠。從結構上來看，葉片腹板會在距離葉片尖部1-3米的位置截止，引下線到達葉片尖部時，可能會直接布置到殼體上，這就減小了導線與殼體外表面的距離，從而使引下線與貼合側殼體的擊穿電壓變小。 c) 從葉片結構設計來看，從葉片根部到尖部，葉片載荷逐漸變小，從結構上來講，葉片尖部可以使用相對少的力學結構材料。因此，葉片尖部使用玻纖和芯材同葉片根部相比，都越來越薄。從葉片形狀上來看，葉片尖部是空間最小的地方，也不能夠容納較厚的材料。玻璃纖維和芯材都具有一定的電絕緣特性，材料變薄，也意味著絕緣性能的相對下降。 另外葉片在雷擊時可能處于旋轉的狀態，雷電可能在接閃器附近發生表面閃絡，如果閃絡路徑上葉片殼體存在絕緣上的薄弱環節，那就有可能造成葉片的擊穿。 3）環境因素的影響 閃電發生時，經常伴隨著雷雨天氣，葉片表面被水膜覆蓋，容易形成連續的導電層，這種情況下葉片表面的閃絡電壓的下降非常嚴重。葉片尖部設計有排水孔，在運行過程中，葉尖內腔的水會通過葉尖的排水孔甩出，因此葉尖內腔也處于一個相對潮濕的環境。 隨著機組的運行，葉片表面容易附著污染物。另外，葉片在運行時，尖部的線速度最快，也最容易形成表面磨損，更容易在葉片表面附著污濁。葉片表面的污濁，會進一步增強該區域的導電能力。 從形狀上來看，葉片后緣是一個尖形的狀態，結合潮濕狀態和表面污染，就容易形成電場畸變，從而讓雷電更容易在這個位置發生。 4）葉尖配重金屬體的影響 通常在葉片的尖部都有一個配重盒，如果三支葉片的力矩不平衡，可以通過在里面填加配重的方式來保證平衡。 配重多采用金屬材料，比如鉛、鐵等密度較大的材料。如果采用了類似的金屬部件，就容易對該區域的電場產生影響。 5 提高葉片防雷系統的可靠性 對葉片防雷系統進行優化設計，在制造環節采用可靠的工藝，消除葉片防雷系統存在的薄弱環節，將會改善葉片的雷電防護性能。 1）防雷系統的尖端放電 雷擊比較容易發生在存在尖端的金屬部件位置，所以為了有效的將雷電吸引到指定位置，接閃器的設計要充分利用尖端放電原理，在上面設計相應的尖端。同時對于防雷系統的其它部件要盡量的規避尖端放電，盡量圓滑過渡。 2）有效的電氣連接 在設定了合理的接閃器布局和引下線的位置后，雷擊附著點可能會得到控制，保證葉片的雷擊是發生在預先設定的接閃器上。這可以用高電壓附著試驗來進行驗證。 另外考慮雷擊是一個電流源，需要考核防雷系統是否可以承擔200KA雷擊電流的通過。IEC61400中規定了接閃器和引下線的相應規格，應該可以承擔相應的電流通過。但是在實際的操作過程中，要考慮引下線和接閃器之間的連接問題。 防雷系統中有電流通過時，將會產生熱效應，如果因為某個接觸位置的電阻過大，該位置可能產生燒蝕損傷。 所以為了盡可能的使防雷系統可靠，每一個防雷連接點都需要保證其可靠連接。比如，設計階段，防雷通道使用端面傳導的方式。在施工階段，另聯接端面上必須進行清理工作去除氧化層和污物的附著之后在連接端面使用導電膏。 從另一個角度來看，如果整個防雷系統是一體結構，接觸點的數量就能減少，當然這需要從設計、施工工藝、經濟成本等方面進行綜合的考慮。 3）葉尖接閃器的設計 常規來看，現在的風輪葉片在其尖部設計成金屬結構作為葉尖接閃器，該接閃器可有效的對葉片進行雷電防護。 根據考慮實際的雷擊統計情況來看，葉片尖部6米范圍內的區域更容易遭受雷擊。相對而言，葉片的后緣比前緣更容易遭受雷擊。而實際的接閃器布置，很多款葉片葉尖向葉根方向上的5米范圍內沒有布置相應的接閃器。因此需要考慮在葉片尖部布置更多接閃器，并且要考慮葉尖前緣位置和后緣位置遭受雷擊的可能。 4）引下線的布置 引下線的布置位置可能會影響到雷擊時的電場分布，雷電會尋找最容易擊穿的位置進行放電。因此在降低接閃器擊穿電壓的同時，需要考慮增加引下線的擊穿電壓。 將引下線的布置在腹板中心位置，可以盡量的增加引下線到殼體的距離，該措施可以有效的增加雷電擊中引下線的擊穿電壓。從弦向的角度來看，引下線適宜布置到腹板內側，（前緣腹板的后緣側或后緣腹板的前緣側），結合實際的應用，建議布置到后緣腹板的前緣側。 從統計的雷擊數據來看，雷電擊中葉片后緣的可能性更大，這與引下線布置在葉片后緣腹板是否有關還沒有明顯的證據。 5）葉片防雷系統的絕緣設計 改變葉片防雷系統的絕緣特性會對電場在葉片表面的分布產生影響，在進行葉片結構設計和防雷系統設計時考慮增加電氣絕緣設計，會對葉片的雷電防護性能起到改善。 可以在葉片本體、引下線、接閃器和相關附件上進行相應的絕緣設計，消除絕緣薄弱環節，引導雷電盡可能發生在裸露的接閃器上。 6 葉片雷電防護的新技術 隨著風力發電技術的發展，風力發電機組、風輪葉片、防雷技術也得到了相應的發展。 1）金屬網的應用 一些葉片采用了碳纖維材料，該種材料強度比玻璃纖維更高，但是雷電流可能在該材料上傳導，從而造成葉片的損傷。為了規避該問題，在碳纖維材料上布置防雷金屬網來傳導雷電流。考慮該技術在碳纖維材料上的應用，可以試驗在玻璃纖維葉片上采用該技術，以提供更好的防雷解決方案。 2）分段式導流條的應用 分段式導流條最早被應用在航空設備上，根據實際的試驗，該產品既能有效的傳導雷電流，也可以作為接閃器來承受雷擊。 對于風電葉片來講，可以將該產品布置在接閃器附件，以提高接閃器攔截雷電的范圍，該技術已經得到相應的試驗驗證。 同時隨著葉片的運行，引下線可能造成損傷，由于該產品可以有效的傳導雷電流，也可以將其作為引下線布置在葉片表面，使引下線的修復在操作上更加簡單。 7 結論 風輪葉片的雷電防護效果是保證風力發電機組連續穩定運行的決定因素。本文從風力發電機組遭受雷擊現狀、葉片防雷方式簡介、葉片防雷設計參考、葉尖容易遭受雷擊的一些因素、提高葉片防雷系統的可靠性、葉片雷電防護的新技術等方面進行了闡述，提出了提高風輪葉片雷電防護性能的的建議。 |
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