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风力发电机叶片雷击损害机理及有效防护

作者：张琦彬日期：2015-01-20 09:32 来源：《电子制作》

中广核罗定风力发电有限公司 527200

【文章摘要】
近几年新建的风电场都选址高山，但随之而来的是风力发电机叶片受雷击的风险也进一步加大。风力发电机叶片作为最容易受到雷击损害的部件，我国在此方面的研究还相对较少，在具体的防护工作中也未能起到良好效果。对比，本文就风力发电机叶片雷击损害的机理及防护措施进行简单的分析与思考，并提出一些可供参考的意见与措施，以期对我国风力发电的叶片防护工作起到一定的促进作用。
【关键词】
风力发电机；叶片；雷击；防护
1 风力发电机叶片雷击损害机理
1.1 风力发电机叶片结构
风力发电机叶片主要是由某种复合材料所制成的薄壳型结构，通常由龙骨、外壳及根部三个部分共同组合而成，常见的有平头型、尖头型与勾头型等类型，龙骨材料主要为玻璃纤维或碳纤维的增强型复合材料、外壳材料为玻璃钢、根部材料主要为金属制物。更换叶片成本包括叶片本身和吊装费用等，如果叶片遭受雷击将会造成巨大的经济损失。据电力部门的不完全统计，全球范围内每年几乎有3% 左右数量的风机叶片收到雷电损害，通常遭受雷击的部位通常在叶尖部位，修理费用并不高。但在大多数情况下很容易导致叶片出现爆裂，从而需要对整个叶片进行更换，否则很容易诱发更为严重的后果，如风力发电机出现电能流失与损害，那么在维修时将要承担更大的费用。
1.2 雷击致使叶片损坏的机制
叶片遭受雷击时雷电所释放的巨大能量会在的短时间内迅速提升叶片结构的温度，叶片由于受到高温影响迅速膨胀、压力大幅上升从而出现爆裂现象。相关研究人员对叶片内水汽的热膨胀进行了测试，发现水蒸气在电阻加热情况下气体机会迅速上升，由于叶片内部不同材质、不同结构的水蒸气分布差异较大，因此很容易在遭受雷电后出现急剧膨胀的现象，从而造成叶片损害，如边缘开裂、润滑油起火、粘结处开裂、纵向裂纹等，严重时叶片部分甚至会全部损坏。在一些较为特殊的条件下，压力波甚至会沿着被雷击袭击的叶片传播，通过风机轮毂进一步传导至另一叶片，造成多个叶片的故障。其次，风机叶片中位于叶片内部的导体与叶片尖部的雷击点一般是内部电弧出现的位置，其受损位置主要集中于叶片尖端区域，主叶片并不会收到损伤。而如果C 型叶片主叶片收到损害，那么意味着叶片内部出现了电弧，雷电电流将会沿轮毂传导至另一叶片。
2 风力发电机叶片防雷有效措施
当前，应用较多的雷电防护措施主要是将雷电电流从安全地通过雷击点传导至接地轮毂，避免叶片内形成雷电电弧的措施。这一方法主要可以通过叶片外表面安装金属导体来实现，在遭受雷击时，电流从雷击点通过金属导体传至叶片根部。另一方法是在叶片表面材料添加导电材料的方式使叶片本身具有传导性，从而将
图 6 环形网络在电力传输系统中应用
雷电电流传至叶片根部。
图1 大型风力发电机叶片雷电保护措施
2.1 叶片表面或内部的雷电保护系统
上图将三种与叶片根部相连的金属导体作为引下线、接闪器的雷电保护系统，根据上图所示，可以分为a 类型、b 类型与c 类型。其中，a 类型与b 类型均将金属导体装设于叶片内部，并将其作为引下线与固定在叶片尖端的金属装置作为接闪器，其中内部因显现导体与穿透叶片相连。在遭受雷击时，叶片内部的引下线导体能够将雷电电流从叶片尖端的接闪器传导至叶片根部，特别是对于控制叶片简单的钢丝也能够作为引下线使用，如a 类型。但对于没有尖端制动装置的叶片结构，那么就可以将铜线作为引下线的方式固定在叶片内部，如b 类型，当叶片长度在20cm 左右时，a 类型与b 类型具有良好的雷电保护效果。但如果叶片长度超出此范围，具体效果还有待验证。其次，c 类型是将金属导体沿叶片外沿装设于叶片内部或表面，如果在叶片内部就可以利用铜铝导线等材料、若在叶片外部则应该在表面安装转向器，转向器也需同叶片边缘的金属导体相连接。
此外，如果将叶片表面的金属导体作为引下线或接闪器，那么此类金属导体就必须要有足够的截面积来承受雷击所经过的巨大电流。同时，导体的尺寸、稳固性也要得到重视。如绿线面积不应该小于50mm2，但如何在叶片表面固定截面积如此之大的导线是一个较为棘手的问题。而且，在叶片表面装设导体后，受叶片空气动力的影响很可能会产生巨大噪音，这一问题又该如何解决呢？
2.2 叶片表面改用导电材料
众所周知，在航空工业当中，飞机机翼部分的雷电保护系统一般会在机翼的表层加入导电材料，从而减小雷击所造成的损害。导电材料的添加有两种方式，一种是直接将金属材料刷涂在机壳表层，另一种是在外层的复合材料中加入金属纤维，从而形成一种以叶片表面为导电的雷电保护系统，这一雷电保护系统是将金属网放置于叶片表层之下。另外需要注意的是，由于一些叶片尖端是用一些金属材料制成或在表层覆盖金属片的，叶片顶端铆装设了一个不锈钢叶尖，并在铜丝网贴覆于叶片两面，将叶尖与叶根形成一个完整的导电体。铜丝网不仅能够起到引下线的作用将叶尖雷电引至大地，同时也能够将其作为接闪器拦截雷电，防止叶片因雷击而遭受损害。
3 实际案例
中广核某风电场风机叶片加装防雷帽技术方案
3.1 工程概况
该风电场地处岛屿，距离内陆约9.8 海里，属典型的海岛山地风电场。总装机容量为85MW，共安装VESTAS V52- 850KW 机组100 台，其中67 台风机轮毂高度为65m，33 台风机轮毂高度为55m ；风机出口电压为690V，经35kV 箱式变电站升压至35kV 后经七回35kV 风机集电线路采用地埋电缆与架空线路相结合的方式接入升压站。风电场配套建设一座110kV 升压站，风电场中央控制室设置于升压站生产楼，场内所有风电机组通过光纤通讯将运行信息汇集到中央控制室。
岛上大部分山峰海拔在230 米以上，最高山峰海拔约330 米，而风机均分布在各山峰顶部位置，每到雷雨季节，风机叶片易遭受雷击而造成不同程度的损坏。2012 年，雷击共造成9 台风机叶片损坏，损坏多发生在叶尖接闪器附近，造成接闪器铜帽被打飞、叶尖附近裂纹或叶尖开裂。为了降低风机叶片遭雷击损坏的风险，减少叶片更换或维护所花费的成本及发电量损失，结合风电场现场实际情况，为#48、#40、#52、#69、#98 等5 台风机的15 支叶片进行加装防雷帽改造：在每个叶片叶尖装配一个铜帽，使整个叶尖表面导电，同时对叶尖起保护作用，对电场增强进行控制。
3.2 技术要求
风机叶片防雷帽加装后不影响风机的正常、安全运行，不改变风机的功率曲线，并有效避免风机叶片遭受雷击损坏；防雷帽安装方法科学、合理，安装牢固，没有脱落危险；风机叶片遭雷击后，防雷帽能有效分散叶尖上的电场，并能有效将雷击电流导地；防雷帽本体及球面螺栓耐雷击性能好，使用寿命可达20 年。
3.3 技术方案
3.3.1 防雷帽加装技术方案：
在风机的三支叶片的叶尖各加装一个防雷帽，防雷帽由一个2mm 厚的压焊铜板按照叶尖的空气动力学外形轮廓定型制成，使整个叶尖表面导电，同时对叶尖起保护作用，控制电场的增强。防雷帽通过两个特制的M16.4 球面螺栓，连接到叶片的内部下引线上，实现两者的电气连接；防雷帽通过双组分粘合剂机械粘合到叶尖表面，同时将两个球面螺栓作为防雷帽和叶片结构之间的机械固定。
风机叶片防雷帽安装后，有效分散叶尖上的电场，并能有效将雷击电流导地，对叶尖起到保护作用。
3.3.2 叶片维修平台施工方案：
使用TSP type Ⅲ / Ⅳ型叶片检修平台将叶片防雷帽安装技术人员升高至叶尖部分进行作业。
通过塔筒爬至风机机舱内，在机舱内选择合适的吊点，用于绑定软带；V52 风机在机舱的底部（前面）预留了两个可拆卸盖板的吊孔，维修平台的吊绳可由此穿过。吊绳一般有4 根，两根绑安全钢丝绳、两根绑工作钢丝绳。
叶片维修平台在运输过程中是拆卸运输的，需在风机现场进行组装。所选用的维修平台应能满足安装叶片防雷帽时物品的堆放及工作的正常开展。平台由1 名操作员进行升降操作，根据防雷帽安装技术人员的要求，操控平台的升降。安装人员在上面走动的时候，通过摇动配重悬臂连接的曲柄可操作配重前后移动，可以调整平台前后平衡。通过摇动滑动支撑架操作曲柄调整平台距离塔筒的远近，可以方便叶片顺利穿过平台中央，不至于损坏风机叶片。检修平台需具备在提升机因故障失去动力或工作钢丝绳断裂时，均可以实现手动安全下降的功能，以保证现场工作人员的人身安全。
操作员及防雷帽安装人员在平台上须穿戴安全大绳和安全带，在不移动及工作的时候，将安全挂钩挂在平台上，确保安全。检修平台需配备4 名专业人员，1 人负责安装吊绳，其余3 人负责平台组装及现场配合防雷帽安装工作过程中的上下升降。
3.3.3 作业环境要求：
严格管理控制，以下情况下，不允许进行防雷帽安装作业：
（1）阵风风力六级（风速10.8m/s）以上；
（2）《GB4200》规定的Ⅱ级以上的高温条件；
（3）自然光线不足，能见度差；
（4）雷雨天气，雷击后1 小时内。
4 结语
随着风机容量的不断增加，本文在对国外大量研究资料进行研究的基础上进一步对雷击损害机理加以探究，并提出了一种极具有效性的技术改造方案，经技术改造后叶片能够有效拦截和预防雷击，对于保护风力发电机叶片、确保风机正常稳定运行起到了重要作用。但仍然需要看到的是，由于受经济发展及技术水平限制还很难得到大面积推广，风力发电机叶片作为最容易遭受雷击、受雷击后损害最大的部位，必须要得到广大技术人员的高度重视。
【参考文献】
[1] 王兴刚. 含大型风电场的电力系统最大输电能力计算[J]. 电力系统自动化.2007(02).
[2] 孙曙光. 风力发电系统防雷方案分析与探讨[J]. 黑龙江科技信息.2010(03).