風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片雷電危害

一、雷電的危害

風(fēng)電場是利用風(fēng)能發(fā)電的重要設(shè)施，隨著風(fēng)電的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量越來越大，為了吸收更多能量，輪轂高度和葉輪直徑也隨著增高，相對的也增加了被雷擊的風(fēng)險。

雷電釋放的巨大能量會造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片損壞、發(fā)電機(jī)絕緣擊穿、控制元器件燒毀等設(shè)備損壞，繼而導(dǎo)致發(fā)電停止并對電網(wǎng)造成影響，甚至還會導(dǎo)致火災(zāi)等嚴(yán)重后果，因此必須采取有效的措施防止雷擊事故的發(fā)生。

被閃電擊斷的葉片（左），被焦化的葉片（右）

1、雷電的產(chǎn)生

空中的塵埃、冰晶等物質(zhì)在大氣運動中劇烈摩擦生電以及云塊切割磁力線，在云層上下層分別形成了帶正負(fù)電荷的帶電中心，運動過程中當(dāng)異性帶電中心之間的空氣被其強(qiáng)大的電場擊穿時，就形成放電。

通常雷擊有三種形式，直擊雷、感應(yīng)雷、雷電侵入波。

直擊雷

直擊雷指帶電的云層與大地上某一點之間發(fā)生迅猛的放電現(xiàn)象，它的電壓峰值通?？蛇_(dá)幾萬伏甚至幾百萬伏，主要危害建筑物、建筑物內(nèi)電子設(shè)備和人。

防避直擊雷通常都是采用避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)或金屬物件作為接閃器，將雷電流接收下來，并通過作引下線的金屬導(dǎo)體導(dǎo)引至埋于大地起散流作用的接地裝置再泄散入地。

感應(yīng)雷

感應(yīng)雷分為靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)兩種，靜電感應(yīng)是由于雷云接近地面，在地面凸出物頂部感應(yīng)出大量異性電荷所致。雷云與其他部位放電后，凸出物頂部的電荷失去束縛，以雷電波形式，沿突出物極快地傳播。

電磁感應(yīng)是由于雷擊后，巨大雷電流在周圍空間產(chǎn)生迅速變化的強(qiáng)大磁場所致。這種磁場能在附近的金屬導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電壓，造成對人體的二次放電，從而損壞電氣設(shè)備。

雷電侵入波

雷電侵入波是指落在架空線路上的雷，沿著線路侵入到變電站、配電室、生產(chǎn)車間或住宅內(nèi)，致使設(shè)備或人員遭受電擊。雷電在放電過程中，呈現(xiàn)出電磁效應(yīng)、熱效應(yīng)以及機(jī)械效應(yīng)，對建筑物和電氣設(shè)備有很大的危害性。

2、雷電對風(fēng)電機(jī)組的破壞

風(fēng)電機(jī)組一般安置在風(fēng)能資源比較好的復(fù)雜地形地帶，如曠野、山頂?shù)?，環(huán)境比較惡劣，特別是兆瓦級風(fēng)機(jī)的葉片高點甚至達(dá)100多米，特別容易被雷電擊中。因此，雷電災(zāi)害是威脅風(fēng)電機(jī)組安全運行和風(fēng)場效益的重要因素之一。

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，德國、丹麥和瑞典等國由雷擊導(dǎo)致的風(fēng)力發(fā)電機(jī)損壞數(shù)量，每100臺平均每年3.9次到8次。數(shù)據(jù)顯示，在北歐的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，每100臺每年有4-8臺遭受雷擊而損壞。

風(fēng)電機(jī)組一般設(shè)置在風(fēng)力強(qiáng)大、雷電多發(fā)的海岸、丘陵、山脊等地區(qū)的制高點，并遠(yuǎn)離其它高大物體，因此更易遭受雷擊。

據(jù)國外早期統(tǒng)計的風(fēng)電機(jī)組各部件遭受雷擊的故障率來看，風(fēng)機(jī)中不同部件遭雷擊損壞的概率中，控制系統(tǒng)雷擊損壞占35-40%，其次是電氣系統(tǒng)、葉片和傳感器等。

隨著近年來安裝防雷裝置，控制系統(tǒng)的防雷保護(hù)已取得明顯的改善，而新生產(chǎn)的風(fēng)電機(jī)組最常見的損害的是葉片。據(jù)長期統(tǒng)計，雷擊造成的損壞中除了機(jī)械損壞之外，風(fēng)機(jī)中電氣控制部分包括：變頻器、過程控制計算機(jī)、轉(zhuǎn)速傳感器、測風(fēng)儀等，也經(jīng)常遭到損害。

3、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常見的雷電原因：

1）風(fēng)機(jī)葉片和塔身的靜電積累；

2）風(fēng)機(jī)塔身高度，與周邊環(huán)境形成不同的場強(qiáng)；

3）風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)低頻電磁輻射的電荷積累。

二、葉片的結(jié)構(gòu)及防雷區(qū)域劃分

1、葉片的結(jié)構(gòu)類型：

現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片都是由復(fù)合材料制成的大型中空結(jié)構(gòu)，如玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料GRP(也稱玻璃鋼)、木材、復(fù)合木板和碳纖維增強(qiáng)塑料(CRP)。碳纖維增強(qiáng)塑料(CRP)一般用于加強(qiáng)葉片結(jié)構(gòu)或特殊元件如帶葉尖制動器(葉尖失速制動裝置)的葉片變槳軸，有些部分和個別零件如法蘭、平衡塊、鉸鏈、軸承、導(dǎo)線、電線、彈簧和夾緊裝置是金屬部件。有些觀點認(rèn)為雷電不會擊在絕緣材料制成的葉片上，但實踐經(jīng)驗清楚地表明情況不是這樣。事實上,雷電會擊在沒有任何金屬材料的葉片上，任何時候電弧對葉片內(nèi)部的損害都是嚴(yán)重的。

通常葉片的表面是由片狀玻璃纖維或其他復(fù)合材料沿著前后緣膠合而制成的，葉片的內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)也是由玻璃纖維制成的。在葉片內(nèi)部，葉片復(fù)合材料層間存在大量空隙，并沿著整個葉片長度分布。

根據(jù)控制和制動方式的不同，分為幾種典型的葉片。圖中所示四種主要葉片類型。

A型葉片將前緣外部的一個阻力板(副翼)用于制動。對于A型葉片，常常發(fā)現(xiàn)雷擊點在鋼折板的鉸接處，造成嚴(yán)重的損害，因為用來操作折板的鋼線通常沒有足夠的能力傳遞雷電流。

B型葉片上有一個由彈簧維持的被動式葉尖制動器，葉片超速時在葉尖制動器離心力的作用下，脫開葉尖并旋轉(zhuǎn)至剎車位置。B型葉片的雷擊點主要發(fā)生在距葉尖點幾十厘米處，或在變槳軸最外端的表面。從雷擊點開始，雷電弧在葉尖剎車最外端的內(nèi)部形成，從軸的另一端沿著主葉片傳遞到葉片根部的安裝法蘭。這種內(nèi)部電弧會對葉片造成災(zāi)難性的破壞。A型和B型葉片通常用于100kW以下的老式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

C型葉片是一種現(xiàn)代化的葉片，它有一由鋼線控制的葉尖剎車。C型葉片的雷擊點主要發(fā)生在距葉片端點幾十厘米處，或在變槳軸最外端的表面。與B型葉片對比，由于雷擊而在雷擊點和軸最外端形成的電弧會使C型葉片的損壞更嚴(yán)重。當(dāng)鋼線不能傳遞雷電流時,通?？梢砸姷嚼讚魧型葉片主體的損害。17m長的葉片，傳遞雷電流的鋼線最小直徑為10mm或12mm。這種鋼線能傳遞大部分的雷電流,因此能保護(hù)葉片免受雷擊損壞。

D型葉片完全由非導(dǎo)體材料制成。其他型式的葉片的雷擊點大部分是在靠近葉尖的地方，而D型葉片的雷擊點則是隨意地沿著葉片的長度分布。

雷擊非導(dǎo)體葉片的事實，至少部分可解釋為由污染和水造成葉片某些時候?qū)щ?。高電壓試驗室試驗證明，電弧會出現(xiàn)在噴酒了鹽水的非導(dǎo)體葉片上，這時葉片就如金屬材料一樣。另一種解釋是葉片正好處于雷擊風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的通道上。此外，眾所周知，電荷沿著表面運動比通過空氣運動要容易得多。無論如何，實際經(jīng)驗表明嚴(yán)重的雷擊非導(dǎo)體葉片（D型）是普遍存在的。

2、葉片防雷區(qū)域的劃分：

LPZ0A1：葉尖至下端1米左右。

LPZ0A2：自LPZ0A1區(qū)下端至5米左右。

LPZ0A3：自LPZ0A2區(qū)下端至20米左右以上區(qū)域，接閃率接近85%~90%。

LPA0B：自LPZ0A3區(qū)下端至葉根區(qū)域，雷擊接閃率不足10%。