關(guān)于某風(fēng)電場(chǎng)葉片葉尖斷裂事件的分析

金鵬

摘要：本文對(duì)某山地風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)葉片葉尖斷裂原因進(jìn)行了分析，指出了該型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的設(shè)計(jì)和選址缺陷。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;雷擊;山地風(fēng)電場(chǎng);葉尖斷裂

0引言

某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭遇雷擊，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉片葉尖發(fā)生折斷，找到葉片招收雷擊的原因?yàn)橐院箢A(yù)防此類事件的發(fā)生提供了指導(dǎo)意義。

1 事件經(jīng)過(guò)

2020年4月24日，某風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生局部雷雨天氣，現(xiàn)場(chǎng)大霧，能見(jiàn)度10米至20米，風(fēng)電場(chǎng)平均風(fēng)速為3.68m/s。 2020年4月25日，天氣晴，風(fēng)電場(chǎng)在巡檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)12號(hào)風(fēng)機(jī)2號(hào)葉片葉尖發(fā)生損壞，此時(shí)12號(hào)風(fēng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)。

2 風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢查情況及工作記錄

2.1現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)12號(hào)風(fēng)機(jī)2號(hào)葉片葉尖整體被打掉，葉尖的接閃器丟失，引雷導(dǎo)線外露。蒙皮和葉尖腹板掉在風(fēng)機(jī)平臺(tái)（圖3、圖5），葉尖外蒙皮因雷擊時(shí)溫度過(guò)高，紅色油漆瞬間碳化（圖4）。

2.2.2 12號(hào)風(fēng)機(jī)登塔檢查情況

登機(jī)檢查輪轂內(nèi)部2號(hào)面的避雷導(dǎo)線、集電環(huán)、碳刷、不銹鋼避雷支座、避雷導(dǎo)線、機(jī)艙至塔基接地線及接地線與地網(wǎng)連接未發(fā)現(xiàn)異常。

2.2 風(fēng)機(jī)工作記錄

查12號(hào)風(fēng)機(jī)接地電阻測(cè)試及最近一次避雷檢查記錄，氣象局于2018年8月21日對(duì)風(fēng)電場(chǎng)12號(hào)風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)進(jìn)行了接地電阻檢測(cè)，其接地電阻為3.56Ω，小于4Ω的設(shè)計(jì)值;2018年11月30日由風(fēng)機(jī)葉片專業(yè)隊(duì)伍完成了】12號(hào)風(fēng)機(jī)葉片下吊籃檢查，對(duì)葉片的回路電阻進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試值為49.5mΩ，低于50mΩ的設(shè)計(jì)值;2019年9月5日由高壓預(yù)防性試驗(yàn)單位對(duì)12號(hào)風(fēng)機(jī)地網(wǎng)進(jìn)行了接地電阻檢測(cè)，其3次的測(cè)試值均小于4Ω的設(shè)計(jì)值;2020年3月5日對(duì)12號(hào)風(fēng)機(jī)組織開(kāi)展了避雷系統(tǒng)專項(xiàng)檢查，避雷系統(tǒng)及葉片未發(fā)現(xiàn)異常。

3 XE82-2000型風(fēng)機(jī)防雷簡(jiǎn)介

12號(hào)風(fēng)機(jī)的葉片是中航惠騰生產(chǎn)的HT40B型葉片，每片葉片上安裝3個(gè)接閃器;葉片避雷回路與輪轂避雷回路是通過(guò)碳刷與弧形板滑動(dòng)連接;輪轂與主軸承通過(guò)碳刷連接。

湘電風(fēng)能系列風(fēng)機(jī)避雷系統(tǒng)由外部直擊雷防護(hù)系統(tǒng)和內(nèi)部感應(yīng)雷防護(hù)系統(tǒng)組成。

風(fēng)機(jī)外部直擊雷防護(hù)系統(tǒng)主要由輪轂避雷系統(tǒng)、機(jī)艙避雷系統(tǒng)、塔筒避雷系統(tǒng)、塔基避雷系統(tǒng)和基礎(chǔ)接地網(wǎng)五個(gè)部分組成。其中輪轂避雷系統(tǒng)與機(jī)艙避雷系統(tǒng)通過(guò)碳刷相通，機(jī)艙避雷系統(tǒng)通過(guò)機(jī)艙接地匯流排與塔筒避雷系統(tǒng)相連，塔筒避雷系統(tǒng)和塔基避雷系統(tǒng)與基礎(chǔ)接地網(wǎng)通過(guò)塔筒底部接地匯流排相連。

輪轂避雷系統(tǒng)又分為兩部分，葉片避雷系統(tǒng)和輪轂避雷系統(tǒng)。葉片避雷主要通過(guò)接閃器、避雷導(dǎo)線、碳刷與輪轂的避雷系統(tǒng)相連接。輪轂避雷則直接利用碳刷將雷電從輪轂引至發(fā)電機(jī)定子支架再通過(guò)避雷導(dǎo)線引至機(jī)艙接地匯流排。

機(jī)艙避雷系統(tǒng)主要由發(fā)電機(jī)外殼、發(fā)電機(jī)定子支架、機(jī)艙避雷針、機(jī)艙接地匯流排和機(jī)艙至塔筒底部接地匯流排之間的避雷導(dǎo)線組成，相互之間通過(guò)50mm2的多股軟銅線相連。

風(fēng)機(jī)塔筒高80米，分為3節(jié)，塔筒與塔筒之間通過(guò)法蘭連接，因法蘭連接之間涂有密封膠，固塔筒與塔筒之間通過(guò)法蘭接地線相連。雷電在塔筒的傳輸路徑主要是通過(guò)法蘭接地線將雷電引入塔筒底部接地匯流排。

塔基避雷主要是變壓器、變頻器、水冷控制柜、塔基控制柜等設(shè)備的避雷，其避雷主要通過(guò)屏柜或設(shè)備的外殼接地與塔筒底部接地匯流排相連實(shí)現(xiàn)。

4 風(fēng)機(jī)防雷的困難

4.1 風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相互電連接且往往位于接地條件不好的區(qū)域。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都設(shè)置在風(fēng)力強(qiáng)大的地區(qū)，例如12號(hào)風(fēng)機(jī)這種典型的山脊，而這些地區(qū)正是雷電多發(fā)區(qū)。由于都愿意將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)置在高于周圍地區(qū)的制高點(diǎn)，并且遠(yuǎn)離其他高大物體，因此它更加能吸引雷電。12號(hào)風(fēng)機(jī)海拔為1878米，是周圍臨近12臺(tái)風(fēng)機(jī)中第二高的風(fēng)機(jī)。

4.2 通常，現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片用復(fù)合材料制成，例如用玻璃纖維增強(qiáng)塑料或木材層壓板。由于這些材料不能傳導(dǎo)雷電流，用這類材料制造的葉片，且未加防護(hù)，雷擊時(shí)總是出現(xiàn)損壞。因此，對(duì)這類葉片作防雷要求是重要的。

5 原因分析

12號(hào)風(fēng)機(jī)葉片在雷暴天氣下遭受到雷擊。接閃器接到雷電后經(jīng)引下線泄流，由于本風(fēng)機(jī)引下線存在機(jī)械損傷，材質(zhì)采用多股鋁導(dǎo)線，泄流能力較 銅導(dǎo)線弱，加之導(dǎo)線絕緣內(nèi)部受潮、氧化、電阻增大，導(dǎo)致發(fā)熱。在 電、熱和電動(dòng)力效應(yīng)的聯(lián)合沖擊下，引下線在距接閃器 1 米左右處斷開(kāi)。此時(shí)雷電流無(wú)法通過(guò)引下線釋放能量，雷電流在葉片內(nèi)部對(duì)梁帽 放電，在梁帽的邊緣復(fù)合材料處形成電弧通道，因?yàn)榱好边吘墢?fù)合材 料受潮，內(nèi)部電弧加熱潮氣引起壓力沖擊，使梁帽和腹板在距葉根三 分之一處分離斷裂。葉片蒙皮沿前、后緣分成兩片垂到風(fēng)機(jī)兩側(cè)。

6 葉片問(wèn)題

6.1該風(fēng)場(chǎng)機(jī)組每片葉片接閃器數(shù)量為 3 個(gè)，12號(hào)風(fēng)機(jī)的葉片長(zhǎng)度為40.3m，根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電防護(hù)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（NB/T 31039—2012）》所出的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于葉片長(zhǎng)度30m≤L<45m的風(fēng)機(jī)，葉尖端接閃器1個(gè)，壓力面接閃器2個(gè)，吸力面接閃器2個(gè)（分布在轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片上）。12號(hào)風(fēng)機(jī)的接閃器數(shù)量明顯偏少，不滿足要求，且根據(jù)歷年來(lái)的雷擊記錄，的風(fēng)機(jī)歷史雷擊造成葉片損壞次數(shù)明顯高于其他區(qū)域的風(fēng)機(jī)，且發(fā)生雷擊的風(fēng)機(jī)絕大多數(shù)為高海拔風(fēng)機(jī)。12號(hào)風(fēng)機(jī)所處區(qū)域，歷史發(fā)生過(guò)4次風(fēng)機(jī)葉片被雷擊事件，證明此區(qū)域是雷暴頻發(fā)區(qū)域。

6.2引下線材質(zhì)，風(fēng)機(jī)葉片的引下線材質(zhì)為鋁。國(guó)標(biāo) GB/Z 25427-2010《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 雷電防護(hù)》中給出兩種常用材質(zhì)鋁、銅兩者電阻率。同種長(zhǎng)度、截面積的導(dǎo)線，鋁導(dǎo)線電阻是銅導(dǎo)線的 1.63 倍，銅導(dǎo)線較鋁導(dǎo)線的載流能力要強(qiáng)。標(biāo)準(zhǔn)描述 B 型葉片引下線材質(zhì)為銅絲，采用鋁線明顯不如銅絲通流能力強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1]NB/T 31039-2012. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電防護(hù)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S]. 2012.

[2]劉靖，張潤(rùn)華.風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)與檢修技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

[3]GB 50057-2010. 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 2010

個(gè)人簡(jiǎn)介：金鵬，1993年10月，男，漢，湖南邵陽(yáng)人，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：風(fēng)電運(yùn)維。