基于高壓測試的風(fēng)電葉片防雷系統(tǒng)缺陷分析

喬玉軍， 方致陽， 李成良， 丁 惢

（中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司， 北京 100192）

0 引言

隨著國內(nèi)風(fēng)電場的大規(guī)模建設(shè)， 風(fēng)電場選址逐漸由三北向東南、西南等高雷暴地區(qū)發(fā)展，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境更加嚴(yán)苛。 據(jù)市場反饋，早期風(fēng)機(jī)葉片雷擊事故率偏高，目前風(fēng)電機(jī)組在全生命周期內(nèi)葉片雷擊事故已成為安全運(yùn)行的主要風(fēng)險(xiǎn)之一。我國雷暴特點(diǎn)是北方密度小、雷暴時(shí)短、單次雷暴強(qiáng)度高，南方密度高、雷暴時(shí)長、單次雷暴強(qiáng)度低，這對(duì)葉片的防雷系統(tǒng)提出了更高要求。

經(jīng)過多年探索， 相關(guān)研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)已具有較為完善的防雷系統(tǒng)體系設(shè)計(jì)， 但對(duì)于設(shè)計(jì)或生產(chǎn)過程中存在的缺陷還缺乏有效的分析手段。 對(duì)此，針對(duì)防雷系統(tǒng)的常見典型缺陷進(jìn)行了基于高壓防雷測試的失效分析， 明確了各缺陷在雷擊測試過程中的失效模式， 為防雷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，減少由于雷擊造成的經(jīng)濟(jì)損失。

1 防雷規(guī)范要求

早期的IEC 61400-24Ed1.0 版本中，葉片高電壓初始先導(dǎo)測試， 使用葉片長度方向于平面電極的三個(gè)角度分別為90°，60°和30°。 而在第二版Ed2.0 中，測試角度改變?yōu)?0°，30°和10°，這表示葉片測試的難度增加了。直接導(dǎo)致對(duì)LPS 設(shè)計(jì)和葉片制造的更高要求， 但也將提供更強(qiáng)的設(shè)計(jì)和更好的現(xiàn)場性能。

2 防雷系統(tǒng)失效模式統(tǒng)計(jì)

據(jù)統(tǒng)計(jì)， 過去平均一個(gè)風(fēng)場一年雷擊故障率可達(dá)14%。 與其他因素導(dǎo)致的故障相比，雷擊故障會(huì)造成40%的能量損失，停機(jī)時(shí)間也會(huì)增加20%。造成雷擊損失比例較高的主要原因是早期葉片防雷設(shè)計(jì)基本沒有進(jìn)行雷擊驗(yàn)證、 葉片防雷系統(tǒng)有效接閃率低以及防雷系統(tǒng)缺陷導(dǎo)致的。以下針對(duì)葉片防雷損傷分類情況進(jìn)行分級(jí)。根據(jù)可修復(fù)性分別分為1 到4 級(jí)，級(jí)別越高，可修復(fù)性越差。

表1 防雷系統(tǒng)損傷分級(jí)

機(jī)械性損傷是由于葉片因雷電接閃造成的葉片表面或結(jié)構(gòu)發(fā)生開放性損壞，如葉尖炸裂、蒙皮開裂、葉片斷裂等，屬于功能性損傷，極難或不可修復(fù)，分級(jí)為3 級(jí)；而對(duì)于蒙皮分層、 引下線電磁力導(dǎo)致的葉尖開裂等非開放性損傷，屬于可修復(fù)性損傷，另外，械性損傷中的熱效應(yīng)損傷， 如葉片表面雷擊孔、 條狀蒙皮開裂等非開放性損傷，也屬于可修復(fù)性損傷，分級(jí)為1 級(jí)，見表1。

而電氣性損傷絕大多數(shù)情況下很難修復(fù)， 如葉尖部分導(dǎo)線熔斷； 電氣性損傷主要指接閃器無法耐受超值電流，導(dǎo)致接閃器嚴(yán)重?fù)p壞結(jié)合葉片鑲嵌未至發(fā)生開裂、高溫膨脹等問題。 因此對(duì)于葉片的電氣性損傷以工藝材料問題為主。

針對(duì)上述損傷產(chǎn)生的原因， 選取常見典型缺陷進(jìn)行了雷擊測試。

3 典型缺陷

針對(duì)葉片防雷系統(tǒng)的幾種常見典型缺陷， 以某型號(hào)海上葉片為載體，進(jìn)行了雷擊測試，見表2。

表2 避雷測試記錄

4 高壓防雷測試

高壓試驗(yàn)是評(píng)估接閃系統(tǒng)是否合理， 雷擊是否只發(fā)生在接閃器上的試驗(yàn)。 分為初始先導(dǎo)附著測試與掃掠通道附著試驗(yàn)。

初始先導(dǎo)測試主要評(píng)估雷擊附著位置以及雷電在葉片及其他非到點(diǎn)結(jié)構(gòu)上的閃絡(luò)或者擊穿路徑； 掃掠通道附著試驗(yàn)主要評(píng)估非導(dǎo)電表面的可能擊穿位置和非導(dǎo)電表面閃絡(luò)路徑。是防雷測試中最關(guān)鍵的部分，也是最容易出現(xiàn)問題的部分。

圖1 高壓先導(dǎo)防雷測試示意圖

試驗(yàn)樣品可以僅為葉尖部分葉片， 長度需依據(jù)IEC61400-24 中的規(guī)定來確定。 根據(jù)上節(jié)的典型缺陷進(jìn)行布置與測試。

4.1 導(dǎo)線絕緣損傷測試

模擬高壓導(dǎo)線在安裝過程中受損， 導(dǎo)致絕緣皮絕緣性能降低，見圖2。

圖2 導(dǎo)線損傷

通常， 在引下線離開腹板的位置極易出現(xiàn)擊穿孔， 且該該位置在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中很容易受到機(jī)械應(yīng)力， 電纜本身不僅要支撐其自身的重量， 而且還需承受避雷系統(tǒng)其它部件的重量，見圖3。

圖3 避雷測試失效

從測試結(jié)果可知，在葉片內(nèi)部導(dǎo)線絕緣性能較弱區(qū)域出現(xiàn)電弧放電現(xiàn)象。使前緣對(duì)地負(fù)極性第一次測試時(shí)出現(xiàn)擊穿顯現(xiàn)，見圖4。

圖4 缺陷分析

試驗(yàn)過程中，在葉片表面觀察到針尖內(nèi)側(cè)約242cm 處出現(xiàn)小孔。擊穿導(dǎo)致接閃，試驗(yàn)失敗并停止。 擊穿發(fā)生在高壓電纜上， 而不是發(fā)生在避雷系統(tǒng)上。

4.2 導(dǎo)線彎曲測試

首先對(duì)S 形導(dǎo)線布置進(jìn)行了電場模擬。 對(duì)葉片下穿導(dǎo)體幾何進(jìn)行了二維有限元建模， 用于模擬制造過程中常見的類似S 形導(dǎo)線布置。 如圖5 所示。

圖5 S 型導(dǎo)線二維電場模擬

前緣與地面成10°時(shí)導(dǎo)線周圍電場分布可知，在導(dǎo)線下彎部分電場明顯增強(qiáng)，是導(dǎo)線上彎部分的9 倍，如果設(shè)計(jì)絕緣強(qiáng)度沿電纜是恒定的，會(huì)在這個(gè)特定的位置（上彎部分）發(fā)生擊穿，見圖6。

圖6 導(dǎo)線在蒙皮上的分布

4.3 接閃底座氣泡

通常接閃器都安裝在接閃底座上， 接閃底座通過粘接膠或者手糊到葉片內(nèi)蒙皮，見圖7。

圖7 防雷底座粘接膠存在氣泡

常見的問題是， 接閃底座粘接區(qū)域存在小氣泡，見圖8。

圖8 葉身接閃器附近放電

從測試結(jié)果可知， 擊穿前（前緣指向下方，檢測為負(fù)極性）， 在壓力側(cè)接閃點(diǎn)底座附近出現(xiàn)微弱放電發(fā)光現(xiàn)象。這種光通常是由于葉片內(nèi)部存在暴露的金屬引起的，如果葉身接閃器沒有正確地布置在葉片內(nèi)部蒙皮上， 就可能發(fā)生這種情況， 其結(jié)果是葉片內(nèi)部裸露的金屬表面產(chǎn)生部分放電， 同時(shí)在葉片表面尋找通向葉片外部并最終到達(dá)地面的傳導(dǎo)路徑。

4.4 葉片修復(fù)缺陷

由于葉片雷擊接閃失效后形成的可修復(fù)性損傷需要進(jìn)行維修， 而維修過程中產(chǎn)生的缺陷很可能成為第二次避雷失效隱患， 本節(jié)給出了維修后穿孔缺陷引起的的雷擊失效，見圖9。

由于維修過程中會(huì)進(jìn)行開窗等開放性操作，將局部蒙皮打開，替換避雷部件后重新修復(fù)，在修復(fù)過程中，往往會(huì)出現(xiàn)修復(fù)不徹底的現(xiàn)象，形成如圖10 中的穿孔缺陷。

圖9 維修后穿孔缺陷

圖10 避雷測試失效

通過分析整個(gè)測試中穿孔附近的詳細(xì)圖像， 得知，在所有負(fù)極性測試中，幾乎在同一位置都可以看到放電現(xiàn)象。 這是由于維修后形成的穿孔導(dǎo)致閃絡(luò)。

5 結(jié)論與展望

可以看到，在高壓雷擊測試后，即使在有缺陷存在的情況下，葉片出現(xiàn)的損傷均為可修復(fù)，從側(cè)面說明原防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)等級(jí)較高，較為可靠。 通過高壓雷擊測試與模擬分析，明確了葉片防雷系統(tǒng)常見缺陷在測試過程中的失效模式，為防雷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

未來對(duì)于以下幾個(gè)方向還需要開展進(jìn)一步的研究：

（1）防雷引下線絕緣損傷程度或絕緣等級(jí)。

（2）導(dǎo)線布置彎曲半徑。

（3）接閃器底座粘接區(qū)域缺膠與氣泡程度。

（4）接閃器與底座連接可靠程度。

（5）葉片維修后的恢復(fù)程度。

對(duì)于海上機(jī)組，提出了如鹽霧腐蝕影響等更為苛刻的要求。