風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片雷擊損害機(jī)理及有效防護(hù)

【摘要】各種家電的使用和購(gòu)買(mǎi)量不斷的增加，人們對(duì)電能的需求也不斷的增加。風(fēng)電機(jī)組的容量不斷的擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模也不斷的擴(kuò)大，但是隨之而來(lái)的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)也不斷的提高，葉片是整個(gè)的發(fā)電機(jī)中最容易受到傷害的組件。我國(guó)目前對(duì)于如何有效的對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片進(jìn)行防雷方面的研究還比較的稀少，研究的進(jìn)展也不夠多，。所以本研究主要的分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片受損的幾種情況，以及受損的機(jī)理。并且根據(jù)國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)整理出了幾種對(duì)葉片的保護(hù)措施，以期對(duì)我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電的葉片防護(hù)起到一定的積極作用。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電機(jī)；雷擊損害；葉片防護(hù)

引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的容量不斷的增大，輪轂高度也從原來(lái)的50m左右升高到目前的150m多，一般的葉片的高度就長(zhǎng)達(dá)30多m，由于一般的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都安裝在比較開(kāi)闊的低于，所以，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)和概率就比較的高，在一般的雷擊事件中，因?yàn)槔纂姷木薮蠊β识尫诺哪芰磕軌蚴沟蔑L(fēng)機(jī)的葉片發(fā)生爆裂、電機(jī)組的自動(dòng)化控制和通信原件被燒壞以及電氣絕緣被擊穿等現(xiàn)象。在電機(jī)組遭受雷擊的事件中，一般風(fēng)機(jī)遭受損害最嚴(yán)重的是控制系統(tǒng)，占50%左右，葉片被損害的概率將近20，電氣系統(tǒng)的占有25%左右，其他的發(fā)電機(jī)身等占有5%左右。目前我國(guó)在控制系統(tǒng)等的防護(hù)方面已經(jīng)取得一定的進(jìn)展，但是在葉片的防護(hù)方面卻比較的落后。

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)和損害機(jī)理

1.1葉片結(jié)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片是由一種復(fù)合材料制造成的薄殼結(jié)構(gòu)。一般有根部、外殼和龍骨三個(gè)部分。常見(jiàn)的有尖頭型、鉤頭型、平頭型以及帶襟翼等類型。根部的材料一般是金屬制物，外殼的材料主要是玻璃鋼，龍骨的材料一般是玻璃纖維增強(qiáng)型的符合材料或者是碳纖維的增強(qiáng)型復(fù)合材料。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)備昂貴，若葉片遭受損害會(huì)產(chǎn)生巨大的損失。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球每年將近有2%的風(fēng)機(jī)葉片遭受到雷電的襲擊，一般的雷擊只發(fā)生的葉尖部分，修理的費(fèi)用比較的少，但是在很多的情況下，雷擊會(huì)使得葉片發(fā)生爆裂的情況，這樣就會(huì)使得要更換整個(gè)的葉片。因?yàn)槿~片損壞而導(dǎo)致的嚴(yán)重后果是，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電能損害和流失的最多，并且修理的費(fèi)用也最大。

1.2雷擊致使葉片損壞的機(jī)制

雷電的大功率釋放巨大的能量，致使與之接觸的葉片的局部機(jī)構(gòu)溫度急劇升高，使得氣體因?yàn)楦邷囟蛎?，局部的壓力驟然上升而造成葉片的爆裂和破壞等情況。美國(guó)的科學(xué)家經(jīng)過(guò)各種雷擊的實(shí)驗(yàn)證明對(duì)于葉片都要采取防雷的措施。第二種損壞的機(jī)制是雷擊造成的巨大聲波，使得葉片的結(jié)構(gòu)會(huì)遭受沖擊而發(fā)生破壞的情況。科學(xué)家對(duì)葉片內(nèi)的水蒸氣的熱膨脹進(jìn)行了實(shí)際的研究，發(fā)現(xiàn)，水蒸氣在電阻加熱的情況下會(huì)產(chǎn)生體積膨脹的后果。不同的材料和葉片的不同部位都會(huì)發(fā)生不同的水蒸氣分布。這樣的不同體積和氣壓使得當(dāng)葉片遭受雷擊的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的不平衡性導(dǎo)致葉片的不同部位發(fā)生不同程度的損害。損壞的情況包括爆裂、層裂、邊緣開(kāi)裂、縱向開(kāi)裂、粘接處開(kāi)裂、泄露以及潤(rùn)滑油起火等情況[1]。若雷電在葉片內(nèi)部產(chǎn)生了電弧也將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的損害，電弧現(xiàn)象可以出現(xiàn)在葉片內(nèi)部的空氣腔內(nèi)也可能出現(xiàn)在葉片的表面，內(nèi)部產(chǎn)生的電弧一般發(fā)生在葉尖部分或者是雷擊處的內(nèi)部導(dǎo)體間。

2、不同類型的損害

在帶襟翼的葉片類型上，雷擊的部分一般在襟翼的鉸鏈上，該部件一般是不銹鋼的材料做成。該部件經(jīng)常會(huì)發(fā)生損壞，因?yàn)榇颂幍匿摻z截面不夠大，不利于對(duì)雷電電流的傳導(dǎo)。在剪頭型的葉片類型中，雷擊的地點(diǎn)一般都是在距離尖端最短的十厘米左右的范圍之內(nèi)。在產(chǎn)生雷擊的時(shí)候，翻斗支撐軸邊緣和葉片的根部固定的法蘭之間會(huì)形成巨大的電弧，電弧產(chǎn)生的危害將會(huì)對(duì)葉片造成破壞性的打擊。在全部用絕緣材料制成的葉片上，雷擊一般是發(fā)生在葉尖部分。雷擊的地點(diǎn)分布在葉片的表面長(zhǎng)度上。絕緣材料制成的葉片也會(huì)遭受雷擊的主要原因是在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用之后，葉片受到污染而含有一定的水分，水是導(dǎo)體，所以在被雷擊之后會(huì)發(fā)生導(dǎo)電的現(xiàn)象[2]。另外一種解釋是，葉片的整個(gè)部分都是雷電擊中風(fēng)機(jī)時(shí)的導(dǎo)體，因此在葉片的表面進(jìn)行放電相對(duì)與通過(guò)擊穿空氣來(lái)進(jìn)行放電更加的容易。在有鋼絲加入的葉片的類型上，雷擊的地點(diǎn)也主要的是在葉片的尖端部分和翻斗的支撐軸的邊緣。因?yàn)橛袖摻z的連接，所以在葉片的根部法蘭間不會(huì)出現(xiàn)電弧的現(xiàn)象，但是在鋼絲無(wú)法導(dǎo)流全部的雷電電流時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定程度的電弧。

3、防護(hù)措施

對(duì)于葉片的防雷保護(hù)，所采用的機(jī)理是通過(guò)將雷電的電流安全的從備雷擊的部位傳導(dǎo)至接地的輪轂之上，據(jù)此來(lái)避免葉片的內(nèi)部因?yàn)槔纂姷囊u擊而產(chǎn)生電弧或者是擊穿的后果。另外的一種機(jī)理是將導(dǎo)電的材料添加進(jìn)葉片的表面材料部分，因此能夠使得葉片本身就可以進(jìn)行導(dǎo)電的工作，從而將雷電的電流經(jīng)葉片傳導(dǎo)到根部。主要的方法包括在葉片的表面或者是內(nèi)部安裝雷電保護(hù)的系統(tǒng)。以及將葉片的表面制作材料改成是導(dǎo)電型的材料。假如需要將葉片表面的金屬導(dǎo)體當(dāng)作是接閃器的系統(tǒng)，導(dǎo)體材料就需要有足夠大的橫截面積來(lái)承受雷擊的電流，并且為了將金屬導(dǎo)體長(zhǎng)期的穩(wěn)定的固定在葉片的表面上，需要規(guī)定的導(dǎo)體的尺寸。通過(guò)添加導(dǎo)電材料的方法可以是直接的將金屬材料噴在葉片的表面上，也可以是將金屬纖維加入到外層的葉片制造材料內(nèi)部，也可以是將金屬網(wǎng)放置在葉片的表面更可以是將金屬線織進(jìn)表面的符合材料之中[3]。所有這些方法采用的機(jī)理都是在發(fā)生雷擊的時(shí)候，金屬導(dǎo)體可以作為引下線將葉尖處產(chǎn)生的雷電引入地下，或者是對(duì)雷電進(jìn)行攔截，從而防止雷電擊中葉片的主體而使葉片遭受到損害。

4、結(jié)語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片是最容易遭受雷擊的損害的部分。研究主要的分析了葉片的損害機(jī)理和損害的幾種不同情況，并且根據(jù)分析和研究給出了幾種能對(duì)葉片的防雷保護(hù)起到一定作用的建議，希望能夠?qū)φ麄€(gè)的發(fā)電系統(tǒng)的改善和防雷的工作起到一定的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]葉吉強(qiáng).風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷設(shè)計(jì)[J].硅谷，2011，03（18）：10-11

[2]孫曙光，張德生，林明.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)防雷方案分析與探討[J].黑龍江科技信息，2010，03（06）：45-46

[3]蔡睿，史曉鳴.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷保護(hù)系統(tǒng)電涌保護(hù)器（SPD）的計(jì)算和選用[J].能源與環(huán)境，2010，03（04）：85-86