風(fēng)電機(jī)組葉片防雷系統(tǒng)工程應(yīng)用研究

方致陽(yáng) 李成良 張敏昊 段雁超

目前，國(guó)內(nèi)葉片所使用的防雷系統(tǒng)，為在引進(jìn)國(guó)外葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，附帶的防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。針對(duì)國(guó)內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境，該防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)并不能對(duì)遭受雷擊的風(fēng)電葉片進(jìn)行完全有效防護(hù)。

為了滿足國(guó)內(nèi)復(fù)雜環(huán)境對(duì)防雷系統(tǒng)的需求，需要深入了解葉片雷擊事故發(fā)生機(jī)理，對(duì)葉片防雷系統(tǒng)進(jìn)行防雷測(cè)試研究，并采用仿真等分析手段輔以驗(yàn)證，探索出符合國(guó)內(nèi)環(huán)境并適于目前工程應(yīng)用的葉片防雷系統(tǒng)。

本文通過開展葉片防雷系統(tǒng)防雷測(cè)試研究，總結(jié)出葉片防雷失效的影響因素，為葉片防雷系統(tǒng)優(yōu)化找到正確的方向。

風(fēng)電機(jī)組葉片防雷失效分析

一、雷電放電機(jī)理

雷電屬于電弧放電的一種。電弧放電是指在一定條件下電荷通過兩電極間氣體的一種導(dǎo)電過程，是一種不同于金屬放電的氣體放電。金屬中電流與電壓之間的關(guān)系遵循歐姆定律，而氣體放電則不然，其電流與電壓之間呈現(xiàn)一種十分復(fù)雜的關(guān)系。

據(jù)相關(guān)研究，目前世界上近85%的雷電為負(fù)極性，并且絕大部分雷電為下行雷，先導(dǎo)發(fā)展之初在雷云底部集聚大量的負(fù)電荷，并感應(yīng)地面上的正電荷。這兩種電荷在大氣中建立起巨大的空間電場(chǎng)，當(dāng)雷云底部大氣電場(chǎng)達(dá)到一定的強(qiáng)度，并超過空氣的絕緣強(qiáng)度時(shí)，空氣發(fā)生電離形成彌散電荷，并逐漸形成流注。當(dāng)流注發(fā)展到一定程度并形成一個(gè)向下運(yùn)動(dòng)的電離通道時(shí)，就形成了下行先導(dǎo)，隨著下行先導(dǎo)持續(xù)發(fā)展且越來越接近地面，地面所感應(yīng)出的正電荷也將不斷增加。但是由于地面較為平緩，很難形成上行先導(dǎo)，最終負(fù)極性的下行先導(dǎo)與正極性的地面電荷接通后形成一次放電。

二、風(fēng)電機(jī)組葉片接閃機(jī)理

風(fēng)電機(jī)組葉片的接閃機(jī)理與雷電對(duì)地放電的機(jī)理大致相同，但是由于風(fēng)電機(jī)組屬于高聳突出的結(jié)構(gòu)，并且風(fēng)電機(jī)組葉片存在接閃尖端，雷云形成的下行先導(dǎo)接近風(fēng)電機(jī)組后，會(huì)使葉片接閃尖端的電場(chǎng)急劇增大，并使其形成向上發(fā)展的正極性上行先導(dǎo)，進(jìn)而使得上行先導(dǎo)與下行先導(dǎo)匯合的位置會(huì)與風(fēng)電機(jī)組葉片有一定的距離，并且產(chǎn)生上行先導(dǎo)的位置即為雷擊點(diǎn)（如圖1）。

三、風(fēng)電機(jī)組葉片防雷失效機(jī)理

根據(jù)雷電放電與風(fēng)電機(jī)組葉片接閃機(jī)理、結(jié)合由美國(guó)Cooray教授領(lǐng)導(dǎo)的雷電研究小組的一些研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下行先導(dǎo)發(fā)展到一定程度后會(huì)誘使風(fēng)電機(jī)組葉片葉尖出現(xiàn)上行先導(dǎo)。但當(dāng)下行先導(dǎo)與風(fēng)電機(jī)組葉片之間的場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到一定程度，巨大的場(chǎng)強(qiáng)超過葉片本體的絕緣強(qiáng)度之和時(shí)，該區(qū)域會(huì)喪失絕緣性。此時(shí)，風(fēng)電機(jī)組葉片防雷系統(tǒng)引下裝置附近會(huì)出現(xiàn)彌散電荷、流注乃至上行先導(dǎo)。當(dāng)多次雷擊發(fā)生后，防雷系統(tǒng)絕緣乃至蒙皮絕緣由于上行先導(dǎo)的出現(xiàn)將會(huì)出現(xiàn)失效的情況，而這種情況的發(fā)生會(huì)增加防雷系統(tǒng)引下裝置金屬導(dǎo)體出現(xiàn)先導(dǎo)的概率。由于雷電的形成有很大的隨機(jī)性，當(dāng)防雷系統(tǒng)引下裝置金屬導(dǎo)體出現(xiàn)的上行先導(dǎo)比風(fēng)電葉片接閃尖端出現(xiàn)的上行先導(dǎo)更具有競(jìng)爭(zhēng)性時(shí)，雷云出現(xiàn)的下行先導(dǎo)會(huì)有機(jī)會(huì)與防雷系統(tǒng)引下裝置金屬導(dǎo)體出現(xiàn)的上行先導(dǎo)匯合形成一次放電，這時(shí)就會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組葉片防雷失效，詳見圖2。圖3為高電壓初始先導(dǎo)測(cè)試中金屬尖端先導(dǎo)競(jìng)爭(zhēng)失敗后出現(xiàn)的測(cè)試失敗現(xiàn)象。

風(fēng)電機(jī)組葉片防雷系統(tǒng)的測(cè)試現(xiàn)象解析

一、風(fēng)電機(jī)組葉片防雷系統(tǒng)測(cè)試規(guī)范分析

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組葉片防雷失效分析，造成葉片防雷系統(tǒng)失效的主要原因是在大氣電場(chǎng)的作用下，引下導(dǎo)體誘發(fā)的上行先導(dǎo)比接閃裝置誘發(fā)的上行先導(dǎo)先一步與雷云發(fā)展的下行先導(dǎo)發(fā)生連通，而標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 33629 – 2017 / IEC 61400 - 24：2010 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 雷電防護(hù)》（測(cè)試時(shí)2019版標(biāo)準(zhǔn)尚未發(fā)布，本文遵循IEC 61400-24：2010 Wind turbine generator systems Part 24 ：Lightning protection）中附錄 D 對(duì)葉片的防雷測(cè)試作了詳細(xì)的規(guī)定，其中與風(fēng)電機(jī)組葉片防雷失效關(guān)系最大，同時(shí)也是失敗概率最高的測(cè)試為附錄D的“D.2.1初步引線連接測(cè)試”，即行業(yè)內(nèi)的高電壓初始先導(dǎo)測(cè)試。

該規(guī)范要求進(jìn)行54次測(cè)試：與水平面呈90°的測(cè)試共有6次，正負(fù)極性各3次；與水平面呈60°的測(cè)試共有24次，A/ B/C/D（A：迎風(fēng)面接地；B：后緣接地；C：背風(fēng)面接地；D：前緣接地）四個(gè)朝向，每種朝向正負(fù)極性各3次；與水平面呈30°的測(cè)試共有24次，A/B/C/D四個(gè)朝向，每種朝向正負(fù)極性各3次。規(guī)范中規(guī)定的測(cè)試角度，是為了對(duì)應(yīng)實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行環(huán)境。其中，低角度的防雷測(cè)試對(duì)應(yīng)了高原、高海拔地區(qū)，風(fēng)電機(jī)組近乎豎立在雷云中，該類測(cè)試也是高電壓初始先導(dǎo)測(cè)試中最容易出現(xiàn)失敗的。規(guī)范中規(guī)定的測(cè)試數(shù)量是專家通過大量實(shí)際風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)得出的。因此，通過規(guī)范中的54次高電壓初始先導(dǎo)測(cè)試，即可說明該防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)在防雷接閃的能力上，基本滿足葉片全生命周期的使用要求。

關(guān)于測(cè)試樣件的長(zhǎng)度，規(guī)范雖然沒有作出詳細(xì)要求，但是一般不會(huì)小于5m—— 該長(zhǎng)度主要來源于風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況。例如，根據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，美國(guó)某風(fēng)電場(chǎng)508臺(tái)風(fēng)電機(jī)組在5年期間共有304支葉片遭受雷擊。觀察雷擊位置的分布可以發(fā)現(xiàn)，約95%的雷擊事故發(fā)生在距離葉尖5m以內(nèi)的位置。

二、風(fēng)電機(jī)組葉片防雷系統(tǒng)測(cè)試現(xiàn)象分析

為了對(duì)防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行初步驗(yàn)證，本文隨機(jī)截取某型號(hào)葉片葉尖（國(guó)內(nèi)常用葉片防雷系統(tǒng)：鋁葉尖加引下線方

案）進(jìn)行高電壓初始先導(dǎo)測(cè)試。測(cè)試布置以及相關(guān)測(cè)試參數(shù)，參考標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 33629 – 2017 / IEC 61400 - 24：2010 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 雷電防護(hù)》中附錄D的要求，在經(jīng)過54次測(cè)試試驗(yàn)后，總共發(fā)生4次擊穿現(xiàn)象—— 前兩次測(cè)試為上行先導(dǎo)內(nèi)部爬弧后擊穿蒙皮；后兩次為上行先導(dǎo)直接擊穿蒙皮，測(cè)試的成功概率為92.6%。此外，由防雷測(cè)試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，測(cè)試樣件與接地平板呈90°，測(cè)試成功的概率為100%；與接地平板呈60°，測(cè)試成功的概率為95.8%；與接地平板呈30°，測(cè)試成功的概率為87.5%。由此可知，測(cè)試樣件與接地平板之間的角度越小，測(cè)試成功的概率越低。