某風電場兆瓦級風電機組葉片雷擊故障分析

文 | 趙少偉，王洪波，王寶歸

兆瓦級風力發(fā)電機組的輪轂高度往往在70米以上，并且安裝在曠野、高山、海灘等地，極易遭受雷擊。而葉片的葉尖部分又處于風電機組的最高點，當葉片運行至最高點時，即可被視為避雷針形成引雷通道，是目前全球范圍風力發(fā)電機組遭雷擊破壞影響最大的一種情況。近年來，隨著風電機組單機容量的不斷增大和低風速風電機組風輪直徑的不斷增大，輪轂高度和葉尖高點也在不斷增高，又進一步增加了葉片遭受雷擊的概率。

本文結合作者數(shù)年的風電機組整機防雷工程經(jīng)驗，通過對業(yè)主方某風電場兆瓦級風電機組葉片遭受的雷擊損壞故障進行系統(tǒng)排查、診斷、分析，以期對當前行業(yè)風電機組葉片防雷設計給予警示和提供借鑒。

雷擊故障概述

2016年8月，在雷雨天氣過后，業(yè)主某風電場兆瓦級風電機組的葉片出現(xiàn)斷裂和損傷，具體情況如圖1所示：葉片1斷裂；葉片2后緣開裂；葉片3存在輕微損傷。

圖1 兆瓦級風力發(fā)電機組風輪下塔前狀況

葉片損傷狀態(tài)的系統(tǒng)排查

技術人員首先對下塔后的風輪三支葉片進行了系統(tǒng)排查，具體損壞狀態(tài)如下：

表1 葉片1的現(xiàn)場狀態(tài)匯總表

一、葉片1（斷裂嚴重）

葉片1損傷非常嚴重。在損傷折斷過程中，葉片內部的防雷接引線等已經(jīng)大量掉落，并已遺失，導致無法對葉片1防雷接引線的接線工藝、接線方式、雷電流通道等進行有效測試和全面檢查，僅能通過葉片上殘留的燒灼痕跡和散落的部分防雷接引線進行推理和判定。

葉片1的現(xiàn)場狀態(tài)如表1所示。

二、葉片2（后緣嚴重開裂）

葉片2的現(xiàn)場狀態(tài)如表2所示。

三、葉片3（后緣輕微損傷）

葉片3僅后緣有輕微的損傷，針對葉片3的檢查主要集中在葉片防雷接引線測試和葉片內部接線狀況。

葉片3的現(xiàn)場狀態(tài)如表3所示。

表2 葉片2的現(xiàn)場狀態(tài)匯總表

表3 葉片3的現(xiàn)場檢查情況匯總表

葉片損傷原因分析

根據(jù)上述風電機組現(xiàn)場系統(tǒng)排查的情況和現(xiàn)狀，系統(tǒng)分析如下：

一、國內外標準文獻對于葉片雷擊問題的相關論述

葉片主要由玻璃纖維（GRP）、碳纖維增強塑料（CFRP）、木質、鋁等材料組成，其結構常為外殼加內梁的組合形式。所采用的殼體材料的電阻率相當高，在正常情況下材料本身是不易導電的，但在強大雷電流作用下就能夠產(chǎn)生導電路徑。遭受雷擊時，在葉片上出現(xiàn)的放電通道一般有三條（除接閃器和防雷接引線外）：葉片殼體外表面、內表面、殼體材料疊層的交界面；雷電流在這些路徑傳導過程中尋求最佳傳導（最低導電率）路徑而相互跳變。

雷電流在葉片內部傳導時常會出現(xiàn)電弧，弧道溫度可以高達30000K，這樣高的溫度會嚴重燒毀弧道附近的殼體材料。同時，高溫也會在殼體內部產(chǎn)生高壓力的沖擊波，對葉片殼體產(chǎn)生機械損傷，這種損傷連同電弧通道高溫的燒灼作用，常使受雷擊后的葉片殼體上出現(xiàn)裂縫，嚴重時可導致葉片斷裂。在某些情況下，由雷擊產(chǎn)生的高壓力沖擊波不僅會損毀直接受雷擊的葉片，甚至會損傷到其他未受雷擊的葉片。

由雷擊造成的葉片斷裂或開裂在國內外風電場已有過非常多的記錄。

二、風電機組葉片斷裂故障原因分析

基于上述理論和行業(yè)經(jīng)驗，從葉片1、葉片2的損傷情況判定：葉片1、葉片2損傷的原因均為雷擊故障引起。

（一）葉片1

從葉片1的燒灼情況及現(xiàn)場散落的一些防雷接引線可以得出：雷電流經(jīng)過了防雷接引線，但雷電流在傳導至距離葉尖9m、14m、20m處，或因雷電流通道不暢，導致在該點燒灼?？梢酝茢?，防雷接引線在這幾個點存在接線松動、導體斷裂，或導體嚴重氧化等問題，造成該點電阻過大，防雷通道不暢。

在防雷接引線雷電流通道不暢的情況下，雷電流選擇了殼體材料疊層交界面進行雷電流的傳導，因此，在葉尖后緣至葉片中部腹板上面出現(xiàn)14m長的雷電流燒灼痕跡。

雷電流由于無法有效傳導泄放至大地，導致在葉片內部電阻較大的地方瞬間產(chǎn)生大量的熱，不但導致該點被燒灼，而且導致葉片內部空氣瞬間高溫膨脹而產(chǎn)生高壓力沖擊波，造成葉片炸裂。

（二）葉片2

從葉片2的燒灼情況及內部防雷接引線狀況可以得出：雷電流未經(jīng)過防雷接引線，因此，防雷接引線（有銅芯的部分和沒有銅芯的部分）絕緣層均未發(fā)現(xiàn)任何高溫碳化或燒灼的痕跡。

由于防雷接引線斷裂，雷電流需在葉片上尋找其他電阻率最小的雷電流通道，從燒灼情況來看，選擇了葉片內表面及葉片殼體疊壓層，因此，在距離葉尖10m的葉片內表面出現(xiàn)燒灼痕跡，同時在葉尖至葉片中部15m長的葉片后緣邊緣處出現(xiàn)燒灼痕跡。

與葉片1相同，雷電流由于無法有效傳導泄放至大地，導致在葉片內部瞬間產(chǎn)生大量的熱，不但導致該點被燒灼，而且導致葉片內部空氣瞬間高溫膨脹而產(chǎn)生高壓力沖擊波，造成葉片炸裂。

（三）葉片3

葉片3雖然未遭受雷擊，但在葉片1遭受雷擊的過程中，由于斷裂的葉片碰撞或高壓沖擊波等原因，也造成了葉片后緣輕微的機械損傷。

圖2 葉片根部至風電機組基礎雷電流泄放通道的接地電阻測試

（四）葉片根部至風電機組基礎雷電流泄放通道排查和測試

除了對葉片1、2、3逐一進行系統(tǒng)排查和故障分析外，技術人員同時對可能影響葉片防雷效果的雷電流泄放通道進行了排查和測試。

從葉片根部至風電機組基礎接地的整個雷電流泄放通道上，均未發(fā)現(xiàn)雷擊燒灼痕跡。另外，技術人員對葉片根部至風電機組基礎的雷電流泄放通道進行接地電阻測試，測試結果僅為3.5 mΩ，整個雷電流泄放通道非常通暢、良好。

三、工藝設計缺陷

基于上述分析，該風電機組葉片斷裂問題的根本原因是：葉片防雷接引線中部斷裂，無法有效泄放雷電流，導致葉片遭受雷擊斷裂。而導致防雷接引線中部斷裂的工藝設計缺陷有：

（1）防雷線經(jīng)過多次不必要的中間對接；

（2）壓接工藝不規(guī)范、壓接不牢靠，端子與電纜容易松動；

（3）電纜剝線工藝不規(guī)范，銅芯斷裂多、截面積變小，裸露多、銅芯氧化；

（4）電纜對接工藝不規(guī)范，對接點容易斷裂。

四、葉片防雷設計、工藝、制造規(guī)范要求

吸取上述雷擊造成葉片斷裂的教訓，結合以往風電場葉片雷擊損傷故障原因；設計、工藝、制造的缺陷，往往是葉片遭受雷擊而斷裂的根本原因，也是須不斷優(yōu)化和嚴格管控的要點。技術人員結合自身多年設計經(jīng)驗，并吸取行業(yè)優(yōu)秀設計經(jīng)驗和標準設計要求，對葉片防雷系統(tǒng)工藝、制造、設計進行了系統(tǒng)梳理和規(guī)范。

葉片雷擊保護的一般原理是，將雷擊電流從雷擊點安全地傳導到輪轂，用這種方法可以避免雷擊電弧在葉片內部的形成。葉片防雷系統(tǒng)采用接閃器和引下導線兩部分組成，在葉尖包裹一層鋁制接閃器，葉片每隔一定的距離埋置銅制圓盤接閃器，所有的接閃器連接至敷設在葉片內部的引下電纜線采用95mm2的截面積。敷設在葉片中引下電纜線連接至葉片安裝法蘭處。葉片防雷結構如圖3所示。

（一）葉片防雷等級

葉片的雷電保護系統(tǒng)應滿足標準IEC61400-24的Ⅰ級防雷保護要求（雷電流200kA），不能導致葉片功能的結構性損壞。

（二）葉片接閃器

葉尖端1個，吸力面和壓力面數(shù)量根據(jù)葉片長度而增加。接閃器材質、最小截面、最小厚度應至少滿足IEC62305-3防雷保護第3部分表6及表3的要求。

葉片接閃器數(shù)量需滿足表4的要求。

（三）防雷引下線

1.葉片防雷引下線通過螺栓連接至葉根法蘭上，必須確保導線實際接觸面積不小于兩倍的95mm2；

2.導線銅端子須滿足GB/T 14315－2008要求，須壓接良好，牢固無松動，拉力不小于本標準要求；

3.銅端子和導線連接處，需用防水絕緣膠布密封防止凝露或水汽進入導線內部導致導體氧化或腐蝕；

4.整根導線中間不得出現(xiàn)對接情況；

5.導線必須整根包覆固定，不能出現(xiàn)任何晃動；

6.導線應盡量保證直線平行敷設、避免彎曲，嚴禁出現(xiàn)角度小于135°的彎曲；

7.導線導體須滿足GB/T 3956－2008中純銅導體要求，絕緣和護套應有很強的延展性、抗拉性、抗紫外線、耐高低溫、耐腐蝕等特性；

8.接閃器、引下線接線端子及附屬金屬結構應做好防腐措施，防腐等級滿足ISO12944-2標準要求。接觸面保持光潔、平整、無縫隙，不允許有樹脂、油漆、污穢等影響導電性能的物質。

圖3 葉片防雷結構

表4 葉片接閃器數(shù)量要求

結論

本文通過對業(yè)主某風電場兆瓦級風電機組葉片雷擊故障進行系統(tǒng)排查、分析、測試等，找到了葉片遭受雷擊斷裂的根本原因。后經(jīng)與業(yè)主方、葉片廠共同研究，基于葉片遭受雷擊斷裂的原因，并結合以往風電場葉片雷擊故障的原因，對葉片防雷設計、工藝、制造等環(huán)節(jié)進行了系統(tǒng)的梳理和規(guī)范，用于指導葉片的設計、生產(chǎn)。從近兩年現(xiàn)場葉片雷擊故障情況來看，葉片防雷設計、工藝、制造嚴格依據(jù)規(guī)范進行管控后，葉片遭受雷擊斷裂的故障再未發(fā)生。

此外，從葉片雷擊故障斷裂問題的排查、分析，及后續(xù)設計、工藝、制造規(guī)范等整個過程可以看出，風電機組防雷是一個系統(tǒng)性工程，除了確保防雷技術原理和方案的正確性外，工藝、制造細節(jié)等也是確保防雷整體效果的關鍵因素。