前 言  風(fēng)輪葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最容易遭受雷擊的部件，提高葉片的雷電防護(hù)效果是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的因素之一。參考相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)葉片雷擊損傷因素進(jìn)行了分析，提出了一些可提高葉片的雷電防護(hù)效果的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路與方法。

　　關(guān)鍵詞  風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)輪葉片；雷電防護(hù)

　　0 引言

　　風(fēng)能是世界上清潔能源利用中最具商業(yè)價(jià)值的能源，是未來可再生能源領(lǐng)域里重要一員。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)量越來越大，與之相配套的葉片防雷技術(shù)的發(fā)展也在發(fā)展。葉片防雷技術(shù)會(huì)影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠運(yùn)行，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高度和葉片長(zhǎng)度的增加，雷擊風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和葉片的概率也會(huì)增長(zhǎng)。風(fēng)輪葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最容易遭受雷擊的部件，其良好的防雷設(shè)計(jì)是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭受雷擊現(xiàn)狀

　　風(fēng)電機(jī)組一般都設(shè)置地理位置較高的區(qū)域，由于周圍缺少其他高大物體，因此它更容易吸引雷電。另外，隨著風(fēng)場(chǎng)的開發(fā)，雷暴日較少的風(fēng)場(chǎng)其裝機(jī)已接近飽和，很多機(jī)組不得不安裝在雷暴條件比較惡劣的地區(qū)。

　　從葉片雷擊的損傷位置來看，葉片尖部區(qū)域更容易遭受雷擊，從葉片切面來區(qū)分的話，后緣比前緣更容易遭受雷擊。

　　從葉片受雷擊的損壞程度來看，接閃器的損傷是最容易修復(fù)的；考慮葉尖區(qū)域的受力和結(jié)構(gòu)特性，該區(qū)域的殼體損傷也相對(duì)容易修復(fù)；如果在葉片中部，雷擊造成了引下線的損傷，就比較難修復(fù)了；更嚴(yán)重的雷擊則會(huì)造成葉片本體大范圍的損傷，葉片則需要整體更換。

　2 葉片防雷方式簡(jiǎn)介

　　雷電防護(hù)的機(jī)理為接閃器定點(diǎn)引雷接閃、引下線導(dǎo)流?，F(xiàn)代的風(fēng)輪葉片的防雷系統(tǒng)主要由葉尖接閃器、葉身接閃器、引下線系統(tǒng)組成。發(fā)生雷擊時(shí)通過接閃器接閃，然后通過葉片引下線系統(tǒng)傳導(dǎo)至主機(jī)引下線系統(tǒng)，最后將雷電導(dǎo)入大地。該方案是葉片防雷最通用的一種方法，其效果也得到了實(shí)際運(yùn)行的驗(yàn)證。

　　3 葉片防雷設(shè)計(jì)參考

　　可用于指導(dǎo)葉片進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)主要有IEC61400-24和GL規(guī)范。

　　關(guān)于葉片上應(yīng)該布置的接閃器數(shù)量，GL規(guī)范中給出了相關(guān)的建議，根據(jù)最新版的規(guī)范，建議的接閃器數(shù)量如下：

　　a) 葉片長(zhǎng)度L<>

　　b) 葉片長(zhǎng)度20m≤L<>

　　c) 葉片長(zhǎng)度30m≤L<>

　　d) 葉片長(zhǎng)度L≥45m：葉尖端接閃器1個(gè)，壓力側(cè)接閃器3個(gè)，吸力側(cè)接閃器3個(gè)，分布在轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片上。[1]

　　在IEC61400-24中給出了建議的接閃器規(guī)格和引下線的規(guī)格，并對(duì)葉片雷擊試驗(yàn)給出了指導(dǎo)性意見。建議通過高壓和大電流試驗(yàn)來驗(yàn)證接閃器系統(tǒng)和雷電引下線是否能夠攔截雷擊并傳導(dǎo)雷電流。[2]

　　4 葉尖容易遭受雷擊的一些因素

　　由于葉片的尖部更容易遭受雷擊，有必要對(duì)該問題進(jìn)行相應(yīng)的分析，如果能夠有效的解決葉尖雷擊的問題，那么葉片的防雷問題可以得到很大的改善。

　　1）風(fēng)輪葉片的位置

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所在地的地勢(shì)比較高，葉片是風(fēng)機(jī)運(yùn)行中的最高位置，因此葉片尖部是最容易遭受雷擊的部位。

　　2）葉片結(jié)構(gòu)及引下線布置

　　葉片引下線布置在葉片內(nèi)腔，它的位置和葉片殼體的絕緣性能都能影響到葉片表面的電場(chǎng)分布。葉片殼體絕緣性能下降，會(huì)造成雷電到引下線的擊穿電壓變小，使雷電越來越容易擊穿葉片表面，直接擊中到引下線。

　　a) 從葉片根部向葉片尖部，葉片截面變得越來越小，這樣，引下線到葉片表面的距離也越來越短，兩者之間的擊穿電壓也變的越來越小了。

　　b) 葉片引下線在未到達(dá)葉片尖部時(shí)，一般會(huì)布置在腹板的中心位置，該位置距離葉片外表面都是空間最遠(yuǎn)。從結(jié)構(gòu)上來看，葉片腹板會(huì)在距離葉片尖部1-3米的位置截止，引下線到達(dá)葉片尖部時(shí)，可能會(huì)直接布置到殼體上，這就減小了導(dǎo)線與殼體外表面的距離，從而使引下線與貼合側(cè)殼體的擊穿電壓變小。

　　c) 從葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來看，從葉片根部到尖部，葉片載荷逐漸變小，從結(jié)構(gòu)上來講，葉片尖部可以使用相對(duì)少的力學(xué)結(jié)構(gòu)材料。因此，葉片尖部使用玻纖和芯材同葉片根部相比，都越來越薄。從葉片形狀上來看，葉片尖部是空間最小的地方，也不能夠容納較厚的材料。玻璃纖維和芯材都具有一定的電絕緣特性，材料變薄，也意味著絕緣性能的相對(duì)下降。

另外葉片在雷擊時(shí)可能處于旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，雷電可能在接閃器附近發(fā)生表面閃絡(luò)，如果閃絡(luò)路徑上葉片殼體存在絕緣上的薄弱環(huán)節(jié)，那就有可能造成葉片的擊穿。

　　3）環(huán)境因素的影響

　　閃電發(fā)生時(shí)，經(jīng)常伴隨著雷雨天氣，葉片表面被水膜覆蓋，容易形成連續(xù)的導(dǎo)電層，這種情況下葉片表面的閃絡(luò)電壓的下降非常嚴(yán)重。葉片尖部設(shè)計(jì)有排水孔，在運(yùn)行過程中，葉尖內(nèi)腔的水會(huì)通過葉尖的排水孔甩出，因此葉尖內(nèi)腔也處于一個(gè)相對(duì)潮濕的環(huán)境。

　　隨著機(jī)組的運(yùn)行，葉片表面容易附著污染物。另外，葉片在運(yùn)行時(shí)，尖部的線速度最快，也最容易形成表面磨損，更容易在葉片表面附著污濁。葉片表面的污濁，會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)該區(qū)域的導(dǎo)電能力。

　　從形狀上來看，葉片后緣是一個(gè)尖形的狀態(tài)，結(jié)合潮濕狀態(tài)和表面污染，就容易形成電場(chǎng)畸變，從而讓雷電更容易在這個(gè)位置發(fā)生。

　　4）葉尖配重金屬體的影響

通常在葉片的尖部都有一個(gè)配重盒，如果三支葉片的力矩不平衡，可以通過在里面填加配重的方式來保證平衡。

　　配重多采用金屬材料，比如鉛、鐵等密度較大的材料。如果采用了類似的金屬部件，就容易對(duì)該區(qū)域的電場(chǎng)產(chǎn)生影響。

　　5 提高葉片防雷系統(tǒng)的可靠性

　　對(duì)葉片防雷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在制造環(huán)節(jié)采用可靠的工藝，消除葉片防雷系統(tǒng)存在的薄弱環(huán)節(jié)，將會(huì)改善葉片的雷電防護(hù)性能。

　　1）防雷系統(tǒng)的尖端放電

　　雷擊比較容易發(fā)生在存在尖端的金屬部件位置，所以為了有效的將雷電吸引到指定位置，接閃器的設(shè)計(jì)要充分利用尖端放電原理，在上面設(shè)計(jì)相應(yīng)的尖端。同時(shí)對(duì)于防雷系統(tǒng)的其它部件要盡量的規(guī)避尖端放電，盡量圓滑過渡。

　　2）有效的電氣連接

　　在設(shè)定了合理的接閃器布局和引下線的位置后，雷擊附著點(diǎn)可能會(huì)得到控制，保證葉片的雷擊是發(fā)生在預(yù)先設(shè)定的接閃器上。這可以用高電壓附著試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。

另外考慮雷擊是一個(gè)電流源，需要考核防雷系統(tǒng)是否可以承擔(dān)200KA雷擊電流的通過。IEC61400中規(guī)定了接閃器和引下線的相應(yīng)規(guī)格，應(yīng)該可以承擔(dān)相應(yīng)的電流通過。但是在實(shí)際的操作過程中，要考慮引下線和接閃器之間的連接問題。

　　防雷系統(tǒng)中有電流通過時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，如果因?yàn)槟硞€(gè)接觸位置的電阻過大，該位置可能產(chǎn)生燒蝕損傷。

　　所以為了盡可能的使防雷系統(tǒng)可靠，每一個(gè)防雷連接點(diǎn)都需要保證其可靠連接。比如，設(shè)計(jì)階段，防雷通道使用端面?zhèn)鲗?dǎo)的方式。在施工階段，另聯(lián)接端面上必須進(jìn)行清理工作去除氧化層和污物的附著之后在連接端面使用導(dǎo)電膏。

　　從另一個(gè)角度來看，如果整個(gè)防雷系統(tǒng)是一體結(jié)構(gòu)，接觸點(diǎn)的數(shù)量就能減少，當(dāng)然這需要從設(shè)計(jì)、施工工藝、經(jīng)濟(jì)成本等方面進(jìn)行綜合的考慮。

3）葉尖接閃器的設(shè)計(jì)

　　常規(guī)來看，現(xiàn)在的風(fēng)輪葉片在其尖部設(shè)計(jì)成金屬結(jié)構(gòu)作為葉尖接閃器，該接閃器可有效的對(duì)葉片進(jìn)行雷電防護(hù)。

　　根據(jù)考慮實(shí)際的雷擊統(tǒng)計(jì)情況來看，葉片尖部6米范圍內(nèi)的區(qū)域更容易遭受雷擊。相對(duì)而言，葉片的后緣比前緣更容易遭受雷擊。而實(shí)際的接閃器布置，很多款葉片葉尖向葉根方向上的5米范圍內(nèi)沒有布置相應(yīng)的接閃器。因此需要考慮在葉片尖部布置更多接閃器，并且要考慮葉尖前緣位置和后緣位置遭受雷擊的可能。

　　4）引下線的布置

　　引下線的布置位置可能會(huì)影響到雷擊時(shí)的電場(chǎng)分布，雷電會(huì)尋找最容易擊穿的位置進(jìn)行放電。因此在降低接閃器擊穿電壓的同時(shí)，需要考慮增加引下線的擊穿電壓。

　　將引下線的布置在腹板中心位置，可以盡量的增加引下線到殼體的距離，該措施可以有效的增加雷電擊中引下線的擊穿電壓。從弦向的角度來看，引下線適宜布置到腹板內(nèi)側(cè)，（前緣腹板的后緣側(cè)或后緣腹板的前緣側(cè)），結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用，建議布置到后緣腹板的前緣側(cè)。

從統(tǒng)計(jì)的雷擊數(shù)據(jù)來看，雷電擊中葉片后緣的可能性更大，這與引下線布置在葉片后緣腹板是否有關(guān)還沒有明顯的證據(jù)。

　　5）葉片防雷系統(tǒng)的絕緣設(shè)計(jì)

　　改變?nèi)~片防雷系統(tǒng)的絕緣特性會(huì)對(duì)電場(chǎng)在葉片表面的分布產(chǎn)生影響，在進(jìn)行葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮增加電氣絕緣設(shè)計(jì)，會(huì)對(duì)葉片的雷電防護(hù)性能起到改善。

　　可以在葉片本體、引下線、接閃器和相關(guān)附件上進(jìn)行相應(yīng)的絕緣設(shè)計(jì)，消除絕緣薄弱環(huán)節(jié)，引導(dǎo)雷電盡可能發(fā)生在裸露的接閃器上。

　　6 葉片雷電防護(hù)的新技術(shù)

　　隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、風(fēng)輪葉片、防雷技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展。

1）金屬網(wǎng)的應(yīng)用

　　一些葉片采用了碳纖維材料，該種材料強(qiáng)度比玻璃纖維更高，但是雷電流可能在該材料上傳導(dǎo)，從而造成葉片的損傷。為了規(guī)避該問題，在碳纖維材料上布置防雷金屬網(wǎng)來傳導(dǎo)雷電流?？紤]該技術(shù)在碳纖維材料上的應(yīng)用，可以試驗(yàn)在玻璃纖維葉片上采用該技術(shù)，以提供更好的防雷解決方案。

　　2）分段式導(dǎo)流條的應(yīng)用

　　分段式導(dǎo)流條最早被應(yīng)用在航空設(shè)備上，根據(jù)實(shí)際的試驗(yàn)，該產(chǎn)品既能有效的傳導(dǎo)雷電流，也可以作為接閃器來承受雷擊。

　　對(duì)于風(fēng)電葉片來講，可以將該產(chǎn)品布置在接閃器附件，以提高接閃器攔截雷電的范圍，該技術(shù)已經(jīng)得到相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

　　同時(shí)隨著葉片的運(yùn)行，引下線可能造成損傷，由于該產(chǎn)品可以有效的傳導(dǎo)雷電流，也可以將其作為引下線布置在葉片表面，使引下線的修復(fù)在操作上更加簡(jiǎn)單。

　　7 結(jié)論

風(fēng)輪葉片的雷電防護(hù)效果是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素。本文從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭受雷擊現(xiàn)狀、葉片防雷方式簡(jiǎn)介、葉片防雷設(shè)計(jì)參考、葉尖容易遭受雷擊的一些因素、提高葉片防雷系統(tǒng)的可靠性、葉片雷電防護(hù)的新技術(shù)等方面進(jìn)行了闡述，提出了提高風(fēng)輪葉片雷電防護(hù)性能的的建議。