風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片雷擊損傷及防護(hù)措施

馬磊

摘要：近幾年新建的風(fēng)電場大多數(shù)都選址在高山上，地形復(fù)雜，雷暴日較多，隨之而來的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片受雷擊的風(fēng)險也進(jìn)一步加大。葉片在風(fēng)電機(jī)組中位置最高，是雷擊的首要目標(biāo)，是最容易受到雷擊損傷的部件，因此葉片是整個風(fēng)電機(jī)組防雷保護(hù)的重點。對此，該文就風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片雷擊損傷的機(jī)理及防護(hù)措施進(jìn)行簡單的分析，并提出一些可供參考的意見與措施。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片雷擊防護(hù)

中圖分類號：TM315文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? 文章編號：1672-3791（2022）01（a）-0000-00

Lightning Damage of Wind Turbine Blade and its Protective Measures

MA Lei

（Three Gorges new Energy Shidian Power Generation Co.， Ltd.， Baoshan， Yunnan ? Province，678200 ?China）

Abstract：In recent years， most of the newly-built wind farms are located on high mountains， with complex terrain and more thunderstorm days， followed by the further increase of the risk of lightning stroke on the blades of wind turbines. The blade is the highest position in the wind turbine， which is the primary target of lightning stroke and the component most vulnerable to lightning damage. Therefore， the blade is the focus of lightning protection of the whole wind turbine. In this paper， the mechanism and protective measures of lightning damage to wind turbine blades are briefly analyzed， and some suggestions and measures for reference are put forward.

Key Words：Wind turbine; Blade; Lightning strike;Protect

雷擊是對風(fēng)電機(jī)組安全穩(wěn)定運行危害最大的一種自然災(zāi)害。閃電釋放的巨大能量會對風(fēng)機(jī)葉片造成損壞。根據(jù)IEC/TC88工作組的統(tǒng)計，遭受雷擊的風(fēng)電機(jī)組中，葉片損壞的占20%左右。葉片是風(fēng)力電發(fā)電機(jī)組最重要的部件之一，也是所有部件中最容易受到雷擊的部件。大部分雷擊事件只是損壞葉片的葉尖區(qū)域，少量的雷擊事件會使整個葉片損壞。因此，葉片的防雷措施非常重要。

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)

現(xiàn)代葉片是用復(fù)合材料，比如釆用玻璃纖維增強(qiáng)塑料、木材、層壓板以及碳纖維增強(qiáng)塑料等制成的大型中空結(jié)構(gòu)件。碳纖維增強(qiáng)塑料通常用于葉片增強(qiáng)結(jié)構(gòu)?；蛱厥獠考?，例如用于連接葉尖制動器（失速型葉片）的碳纖維軸。

根據(jù)所采用的控制和制動方式以及所采用的絕緣和導(dǎo)電復(fù)合材料，葉片可以分為幾種類型。根據(jù)不同的制動機(jī)構(gòu)給出5種，如圖1所示。

類型A葉片在前緣使用襟翼（副翼）制動系統(tǒng)。對于A型葉片，雷擊點通常都是在鋼質(zhì)釵鏈處，通常， 用于操作襟翼的鋼纜通常是受損最嚴(yán)取的地方，因為鋼纜截面通常不足以傳導(dǎo)雷電的沖擊電流。

類型B葉片采用一套通過彈簧力保持工作位置、高速旋轉(zhuǎn)離心力釋放制動的葉尖制動系統(tǒng)。對于B型葉片，雷擊附著點主要限于距離葉尖軸外沿幾十厘米的地方，或者位于葉尖軸最遠(yuǎn)端點的側(cè)面。從雷擊附著點開始直到葉尖軸的端點外沿的葉片葉尖部分，將會形成一個雷電電弧;在主葉片內(nèi)部，直至葉片根部的鋼質(zhì)安裝法蘭處，將會形成一個電弧。這種內(nèi)部電弧不可避免地會導(dǎo)致對葉片的損傷。A型和B型葉片通常用于老式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，機(jī)組容量在100kW。

C型葉片是一種釆用鋼絲繩控制的葉尖制動器的葉片。對于C型葉片來說，雷擊附著點常見于距離葉片外緣最遠(yuǎn)端十幾厘米的地方，或者位于葉尖軸端點最外沿的側(cè)面。對于C型和B型葉片來說， 在雷擊附著點與軸的外沿形成雷電電弧將會導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p傷。對于C型葉片來說，對于主葉片的損傷主要是在鋼絲繩無法承載雷電電流所導(dǎo)致的。

D型葉片完全由非導(dǎo)電材料制成。經(jīng)驗顯示，雷擊附著點通常位于葉尖，這一點與其他類型的葉片相同。與其他類型的葉片相比，其不同之處在于，雷擊附著點可能會沿著葉片呈隨機(jī)性分布。

E型葉片中的部分構(gòu)件采用碳纖維（碳纖維部件）材料制成，因為這種材料具有理想的機(jī)械特性。取決于具體設(shè)計，碳纖維材料可以用于增強(qiáng)葉片表面，用于承載的結(jié)構(gòu)部件，以及內(nèi)部翼梁和主層壓件。由于其具有良好的電性能，可以將其集成到雷電保護(hù)系統(tǒng)，構(gòu)成引下線系統(tǒng)的一部分。

1.2 葉片損傷機(jī)理

當(dāng)葉片受到雷擊時，會釋放巨大的能量，進(jìn)而使葉片的溫度急劇上升，葉片由于受到高溫影響迅速膨脹、壓力大幅上升從而出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象。相關(guān)研究人員對葉片內(nèi)水汽的熱膨脹進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)水蒸氣在電阻加熱情況下氣體機(jī)會迅速上升，由于葉片內(nèi)部不同材質(zhì)、不同結(jié)構(gòu)的水蒸氣分布差異較大，因此很容易在遭受雷電后出現(xiàn)急劇膨脹的現(xiàn)象，從而造成葉片損害，如邊緣開裂、黏結(jié)處開裂、縱向裂紋等，嚴(yán)重時葉片部分甚至?xí)繐p壞。在一些較為特殊的條件下，壓力波甚至?xí)刂焕讚粢u擊的葉片傳播，通過風(fēng)機(jī)輪轂進(jìn)一步傳導(dǎo)至另一葉片，造成多個葉片的故障。其次，風(fēng)機(jī)葉片中位于葉片內(nèi)部的導(dǎo)體與葉片尖部的雷擊點一般是內(nèi)部電弧出現(xiàn)的位置，其受損位置主要集中于葉片尖端區(qū)域，主葉片并不會受到損傷。雷擊造成的葉片損壞通常分為電效應(yīng)、熱效應(yīng)以及機(jī)械效應(yīng)。葉片開裂（機(jī)械破壞）、金屬部件熔化或燒壞及復(fù)合材料表面灰化（熱效應(yīng)）是葉片遭受雷擊之后較為典型的損壞方式[1]。

因此，對葉片造成嚴(yán)重?fù)p傷的原因，就是由于在葉片內(nèi)部圍繞雷電電弧所形成的沖擊壓力波。只有通過減輕雷電對葉片的沖擊、將雷擊通道屏蔽在葉片外部才可以減輕葉片的損毀。在雷電電流通過截面積不夠大的金屬構(gòu)件傳導(dǎo)時，所形成的損傷將比較輕微[2]。

2 防護(hù)措施

葉片雷電保護(hù)的一般性問題就是將雷電電流從附著點傳導(dǎo)至輪轂，以避免在葉片內(nèi)部形成電弧。這可以通過使用固定在葉片表面或葉片內(nèi)部的金屬導(dǎo)體，將雷電電流從附著點沿葉片表面導(dǎo)引至葉片根部來實現(xiàn)。另外一種方法就是在葉片表面材料中添加導(dǎo)電材料，從而使葉片具有足夠的導(dǎo)電性能，以便將雷電電流安全地傳導(dǎo)至葉片根部[3]。

2.1 葉片表面或內(nèi)嵌在葉片表面的雷電接閃器系統(tǒng)

葉片表面上用作接閃器系統(tǒng)或引下線系統(tǒng)的金屬導(dǎo)體應(yīng)具有足夠的橫截面，以便能夠承擔(dān)直接電擊，將雷電電流完全傳導(dǎo)出去。此外，還需要某些特殊規(guī)格的導(dǎo)體，以便能夠可靠地固定在葉片表面。對于鉛制雷電接閃器來說，最小橫截面積為50 mm2，對于這種規(guī)格的導(dǎo)體來說，要實現(xiàn)在葉片表面的可靠連接可能會是一個難題。此外，安裝在葉片表而的導(dǎo)體可能會損害葉片的空氣動力學(xué)性能，或產(chǎn)生不希望的噪聲。

對于嵌入在葉片內(nèi)部的避雷導(dǎo)體來說，通常采用鋁制或銅質(zhì)導(dǎo)線或編織物。將金屬導(dǎo)體連接到葉片根部，通常是將其放置在葉片表面沿葉片后緣的位置或者是嵌入在葉片后緣。有一些葉片設(shè)計沿葉片前緣與后緣都設(shè)置金屬導(dǎo)體。此外，一些葉片設(shè)計中含有金屬接閃器，該接閃器設(shè)置在葉片表面，并安放在葉片上的各個位置。每個接閃器都被連接至葉片內(nèi)部的導(dǎo)體。

2.2粘附金屬帶和分段分流條

幾個案例中都使用了裝置在葉片表面的粘附金屬帶。采用金屬帶來解決雷電防護(hù)問題將是一個有吸引力的解決方案，特別是作為一個對現(xiàn)有未加保護(hù)的葉片進(jìn)行升級、改造的方法。但應(yīng)當(dāng)注意的是，大規(guī)模的壓力沖擊波通常都是與將雷電導(dǎo)引至葉片表面相關(guān)聯(lián)的。這可能會導(dǎo)致對葉片造成結(jié)構(gòu)性損傷。過去一段時間，人們進(jìn)行了一些分段導(dǎo)流條實驗，其試驗結(jié)果頗具前景。這些分段導(dǎo)流條被用于飛機(jī)的雷達(dá)罩上，因為它們不會對雷達(dá)信號產(chǎn)生干擾。

2.3內(nèi)部引下線系統(tǒng)

與將導(dǎo)體放置在葉片表面相對應(yīng)的另外一種解決方案就是將雷電導(dǎo)體安置在葉片內(nèi)部。導(dǎo)體的金屬配件將會穿透葉片表面，用以作為離散式雷電接閃器。目前，這種雷電保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)被用在飛機(jī)上。

對于目前所生產(chǎn)的許多葉片，其所釆用的雷電保護(hù)系統(tǒng)都是在葉尖安裝接閃器。一條內(nèi)部引下線將雷電電流從接閃器傳導(dǎo)至葉片根部。對于配備了葉尖制動系統(tǒng)的葉片來說，控制葉尖的鋼絲繩被用作引下線。如果葉片沒有葉尖制動系統(tǒng)，那么沿內(nèi)部翼梁安裝的一條銅質(zhì)導(dǎo)線將被用作引下線。

2.4 將導(dǎo)電材料應(yīng)用到葉片表面

一種將雷電接閃器系統(tǒng)端接在葉片表面的替代方案就是讓葉片表而也具有導(dǎo)電性。在航空工業(yè)，已經(jīng)實現(xiàn)了通過采用玻璃和碳纖維復(fù)合材料，并在外層中添加導(dǎo)電材料，從而實現(xiàn)暴露于雷電的機(jī)翼和表面的雷電防護(hù)，以降低對雷擊附著點區(qū)域的損傷。所使用的導(dǎo)電材料可以是噴涂在表面的金屬，在復(fù)合材料外層所噴涂的金屬纖維涂層，編織在復(fù)合材料外層中的金屬導(dǎo)線，以及安裝在表面下的金屬網(wǎng)。對葉片的雷電保護(hù)是通過在膠衣下沿葉片表面安裝金屬網(wǎng)來加以實現(xiàn)。有時候，葉尖要么是使用金屬制成，或使用金屬板進(jìn)行覆蓋[4]。

3 實際案例

以某風(fēng)電場風(fēng)機(jī)葉片加裝防雷網(wǎng)工程為例。

3.1工程概況

該風(fēng)電場位于高山山脊上，山脊為南北走向，長約12 km，高程在2 500 m～2 900 m之間，場內(nèi)以高山草地為主。風(fēng)電場共安裝24臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，單機(jī)額定功率為2.0 MW，機(jī)型為水平軸、三葉片、上風(fēng)向、變槳、變速、恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，葉輪直徑110 m，輪轂高度85 m。并配套建設(shè)一座110 kV升壓站，所發(fā)電能通過110 kV線路接入電網(wǎng)[5]。

2017年到2018年，該風(fēng)電場頻繁發(fā)生風(fēng)機(jī)葉片遭雷擊事件，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組長時間停運，累計年平均發(fā)生7臺次，給設(shè)備的安全穩(wěn)定運行帶來較大影響。當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片遭雷擊后，輕則被灼傷重則開裂;如果現(xiàn)場維護(hù)人員沒有及時發(fā)現(xiàn)葉片損傷時，風(fēng)機(jī)持續(xù)運行將存在巨大的安全隱患（倒塌）。該風(fēng)場風(fēng)機(jī)葉片僅在根部至葉尖25 m、36 m、42 m共3處安裝了金屬接閃器，以便風(fēng)機(jī)葉片遭雷擊時將雷電能量導(dǎo)入大地。但風(fēng)機(jī)葉片運行時遭雷擊點不在以上三個部分和葉尖（金屬部分，也可導(dǎo)流）時，將會對風(fēng)機(jī)葉片造成巨大損傷。為了減少風(fēng)機(jī)葉片被雷擊的次數(shù)，降低雷擊的損傷，減少電場運維成本及電量的損失，對全場24臺風(fēng)機(jī)葉片加裝防雷網(wǎng)，使葉片起到保護(hù)作用[6]。

3.2技術(shù)方案

在風(fēng)機(jī)的三支葉片葉尖接閃器連接處加裝避雷金屬網(wǎng)。使用記號筆和尺子，確定避雷金屬網(wǎng)安裝位置，并做好標(biāo)記。將連接葉尖接閃器殼體表面打磨粗糙。在殼體表面刮涂一層結(jié)構(gòu)膠，鋪設(shè)避雷銅網(wǎng)（見圖2），并輥壓，使避雷銅網(wǎng)和殼體黏結(jié)。在葉尖放置鋁條并在避雷網(wǎng)和鋁條上表面糊制一層表面氈。用M8的電鉆將銅片進(jìn)行打孔—用M10的絲錐進(jìn)行攻絲—擰入鋁制螺栓（圖3），為保證銅板連接牢固，銅板采用2顆螺栓連接到接閃器上。

對風(fēng)機(jī)葉片加裝防雷網(wǎng)后運行情況進(jìn)行分析，風(fēng)機(jī)葉片遭雷擊故障停機(jī)次數(shù)由7次/年降為2次/年，下降率為71.43%，降低了現(xiàn)場風(fēng)機(jī)葉片因雷擊導(dǎo)致的故障停機(jī)次數(shù)后，同時也降低了風(fēng)機(jī)因雷擊導(dǎo)致的故障停機(jī)時間，減少了發(fā)電量的損失，為公司增加了經(jīng)濟(jì)效益。為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全可靠運行提供了有利條件[7]。

4結(jié)語

該文分析了葉片雷擊損壞的現(xiàn)象與機(jī)理，闡述了葉片防雷擊的措施，以及降低葉片遭受雷擊的概率與損毀程度。實際案例證明，在葉片尖部區(qū)域安裝金屬網(wǎng)能夠提高攔截效率，減少雷擊次數(shù)，對保護(hù)風(fēng)機(jī)葉片，提高風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運行起到了非常重要作用。風(fēng)機(jī)葉片是最易受雷擊的部件，并且價格昂貴，因此葉片是整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷保護(hù)的重點，必須引起廣大技術(shù)人員的高度重視。

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