葉片防雷技術(shù)

關(guān) 鵬

沈陽金祥電能設(shè)備有限公司,遼寧沈陽 110186

葉片防雷技術(shù)

關(guān) 鵬

沈陽金祥電能設(shè)備有限公司,遼寧沈陽 110186

目前世界新能源市場上以風(fēng)力發(fā)電作為主要發(fā)展方向，而其中葉片的防雷技術(shù)是確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全性的關(guān)鍵因素，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所采用的葉片防雷技術(shù)為其安全運(yùn)行提供了保障。

葉片防雷；防雷技術(shù)；新能源

0 引言

風(fēng)能是世界上清潔能源利用中最具商業(yè)價(jià)值的能源，是未來可再生能源領(lǐng)域里重要一員。目前，風(fēng)力發(fā)電的商業(yè)化發(fā)展如火如荼，與之相配套的葉片防雷技術(shù)的發(fā)展也十分迅速。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠性中最關(guān)鍵的一個(gè)問題是葉片防雷技術(shù)，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高度和發(fā)電功率的增加，雷擊風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的概率也會成正比增長。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最危險(xiǎn)的部件是風(fēng)輪葉片。因此，其良好的防雷設(shè)計(jì)是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素。

1 國內(nèi)目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭受雷擊現(xiàn)狀

我國當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組都設(shè)置在風(fēng)力強(qiáng)大的地區(qū)，并且設(shè)置在高于周圍地區(qū)的制高點(diǎn)上，由于周圍缺少其他高大物體，因此它更容易被雷電吸引。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每100臺風(fēng)力機(jī)，一年雷擊故障多達(dá)14次。7%～10%的雷擊都將造成葉片的損壞。相比較其他因素導(dǎo)致的故障，雷擊所造成的故障將造成40%多的能量損失，停機(jī)時(shí)間也因此增加20%多。其中葉片的損毀是最昂貴的損壞。據(jù)估計(jì)，全世界每年遭受到雷電襲擊的風(fēng)輪葉片占其總量的1%～2%。從葉片受雷擊的損壞部位看，多數(shù)情況發(fā)生在葉尖是比較容易被修補(bǔ)的，但少數(shù)情況則會造成整個(gè)葉片無法使用，需要更換。雷擊風(fēng)機(jī)往往會造成風(fēng)機(jī)電系統(tǒng)的過電壓，造成風(fēng)機(jī)各種化控制系統(tǒng)和通信元件的燒毀、發(fā)電機(jī)被擊穿、電氣設(shè)備損壞等嚴(yán)重事故。所以，雷害是威脅風(fēng)機(jī)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的嚴(yán)重問題。

2 雷電產(chǎn)生的機(jī)理

風(fēng)力發(fā)電特點(diǎn)：風(fēng)機(jī)分布安置多在比較空曠的地區(qū)，大型風(fēng)機(jī)葉片最高點(diǎn)（轉(zhuǎn)子半徑加輪轂中心高度）達(dá)75～105m，極易遭受雷擊。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電氣絕緣性能較低（發(fā)電機(jī)電壓690 V、并采用大量通信及自動化控制元器件）。因此，相比較常規(guī)發(fā)電機(jī)組，其防雷性能的環(huán)境要惡劣許多。

雷擊可以被認(rèn)為是一個(gè)強(qiáng)電流源。目前有記載的單次雷擊電流最大值超過了30萬安培。在世界范圍，這樣的大電流雷擊發(fā)生的概率極小。中等量值的雷電流峰值大約為3萬安培。此外，雷閃的類型及風(fēng)機(jī)所處地理位置而變化對雷擊的電氣特性有較大影響。沿著同一電離路徑的整個(gè)放電過程稱為閃電，其持續(xù)時(shí)間可以達(dá)到1s以上?？罩械膲m埃、冰晶等物質(zhì)在大氣運(yùn)動中劇烈摩擦生電以及云塊切割磁力線，在云層上下層分別形成了帶正負(fù)電荷的帶電中心，運(yùn)動過程中當(dāng)異性帶電中心之間的空氣被其強(qiáng)大的電場擊穿時(shí)，就形成放電。云地放電是對風(fēng)電場運(yùn)行帶來的主要危害，地面上的凸起物、金屬等，會與向下接近地面帶負(fù)電荷的云層感應(yīng)產(chǎn)生出正電荷，形成逐步增強(qiáng)的電場，雷云產(chǎn)生向下的下行先導(dǎo)，地面突起物體形成向上閃流，二者之間產(chǎn)生的電位差達(dá)到一定程度時(shí)，即發(fā)生猛烈對地放電。山頂、高于地面的物體、高大建筑物頂部和風(fēng)力機(jī)的葉片等處，電場的能量足以強(qiáng)到導(dǎo)致地面與雷云之間發(fā)生的向上運(yùn)動的先導(dǎo)。高度超出地表面100m的現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，明顯地暴露在向上閃擊中。雷擊的破壞作用主要是：電效應(yīng)破壞、熱效應(yīng)破壞和機(jī)械效應(yīng)破壞。

3 雷電的主要特點(diǎn)

1）沖擊電流大：其電流高達(dá)幾萬到幾十萬安培；

2）時(shí)間短：雷擊分為三個(gè)階段，即先導(dǎo)放電、主放電、余光放電，整個(gè)過程一般不會超過60μs；

3）雷電流變化梯度大：雷電流變化梯度大，有的可達(dá)10kA/μs；

4）沖擊電壓高強(qiáng)大的電流產(chǎn)生的交變磁場，其感應(yīng)電壓可高達(dá)上億伏。通常雷擊有3種形式：直擊雷、感應(yīng)雷、球形雷。

4 葉片損壞現(xiàn)象和機(jī)理

雷擊點(diǎn)出現(xiàn)的典型損壞是：

1）雷擊將導(dǎo)致葉片的玻璃纖維斷裂，內(nèi)部的導(dǎo)電部件燒毀或熔化；

2）葉片內(nèi)部將產(chǎn)生由于雷擊形成的電??；

3）雷擊導(dǎo)致葉尖和導(dǎo)電部件之間形成電?。?/p>

4）雷擊電流產(chǎn)生的電弧，將導(dǎo)致葉片玻璃纖維夾層之間的水蒸氣，在迅速加熱的情況下爆裂引起壓力沖擊葉片。

5 葉片防雷方案的關(guān)鍵——葉片接閃器

現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組采用國際先進(jìn)的葉片防雷技術(shù)，據(jù)相關(guān)試驗(yàn)表明，葉尖是雷擊的多發(fā)部位，而相對較弱的雷擊則多集中在葉片的較下方。葉片接閃器的面積較小，可能導(dǎo)致雷擊發(fā)生在葉片表面也不被接閃器接收。雷擊分為正極性雷電和負(fù)極性雷電，前者容易擊中葉片表面，后者容易擊中接閃器。雷擊電流通過葉片接閃器及其導(dǎo)體迅速通暢地經(jīng)過葉片和機(jī)艙傳引入大地。

國外葉片防雷技術(shù)的研究已經(jīng)開展多年，各國雷電專家、風(fēng)機(jī)及葉片制造、保險(xiǎn)業(yè)、風(fēng)電場和商業(yè)組織在內(nèi)，都針對風(fēng)機(jī)防雷的做出了大量工作，為避免雷擊導(dǎo)致葉片的損壞，開發(fā)經(jīng)濟(jì)安全耐用的防雷葉片。研究人員在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行一系列的仿真測試，驗(yàn)證葉片結(jié)構(gòu)特性和雷擊安全性之間的聯(lián)系。研究表明：無論葉片的材料是木頭還是玻璃纖維，或是葉片貫穿導(dǎo)電體，葉片的型式才是導(dǎo)致雷擊損壞范圍的決定因素。即使葉片全部采用絕緣材料也無法減少被雷擊的危險(xiǎn)，相反還會增加損壞的次數(shù)。研究還表明：葉尖背面是發(fā)生雷擊的主要區(qū)域。裝在葉尖的接閃器更有利于捕捉雷擊，再利用葉片內(nèi)部導(dǎo)體將電流引入大地，該設(shè)計(jì)簡單、經(jīng)濟(jì)且非常耐用，起到引導(dǎo)電流，保護(hù)葉片的作用?，F(xiàn)在風(fēng)機(jī)葉片的防雷，是按照IEC1024-1的Ⅰ級保護(hù)水平設(shè)計(jì)，并通過有關(guān)型式認(rèn)證。因此，大大改善了葉片遭受雷擊破壞的可能性。如果接閃器或?qū)щ姴考枰鼡Q，也只是機(jī)械性的更換。

6 結(jié)論

兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為我國陸地風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流型號，在為獲得最大風(fēng)能的同時(shí)，又保證雷擊條件下機(jī)組及重要部件的安全性，葉片所采用的此種防雷技術(shù)無疑具有更先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢。該技術(shù)的應(yīng)用，提高了國產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組同行業(yè)內(nèi)的競爭實(shí)力，為進(jìn)軍國際市場贏得了主動。

[1]施鵬飛.我國風(fēng)電場將進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展時(shí)期[D].20 世紀(jì)太 陽能新技術(shù)(2003 年中國太陽能學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集).上海:上海 交通大學(xué)出版社，2003.

[2]葉枝全，黃繼雄，陳嚴(yán)，等.風(fēng)力機(jī)新系列翼型的氣動性 能研究[J].太陽能學(xué)報(bào)，2002(2).

[3]董永祺，熊學(xué)斌.國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)FRP 葉片一瞥[J].風(fēng)力 發(fā)電，2001(4):50-52.

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1674-6708（2010）24-0146-02

關(guān)鵬，工程師，工作單位：沈陽金祥電能設(shè)備有限公司，研究方向：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組