王 凱 程林志 史 航 仝世偉 劉二恩 張明輝

(許昌許繼風(fēng)電科技有限公司)

雷電是自然界中一種常見的放電現(xiàn)象，雷擊釋放出的巨大能量對(duì)建筑物和高空物體都有著嚴(yán)重的危害?，F(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組類似于高大建筑物，具有遭受雷擊的相關(guān)特性，其高度超過150m，且常布置在曠野、山地及海邊等非常容易受到雷擊的場地。風(fēng)電機(jī)組的許多暴露部件(如葉片和機(jī)艙蓋)往往由不能承受雷擊的材料或不能傳導(dǎo)雷電流的復(fù)合材料制成，葉片和機(jī)艙是旋轉(zhuǎn)的，不利導(dǎo)流，雷電流必須通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳導(dǎo)至地面，雷電流的有效部分會(huì)直接通過幾乎所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)的組件[1]。因此，即使做了防雷保護(hù)，還可能會(huì)使風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊損壞。此外，風(fēng)電機(jī)組是風(fēng)場的貴重設(shè)備，價(jià)格占風(fēng)電工程投資的60%以上。若風(fēng)電機(jī)組特別是葉片和發(fā)電機(jī)遭受雷擊時(shí)，除了損失維修期間發(fā)電所得之外，還要負(fù)擔(dān)受損部件拆裝和更新的巨大費(fèi)用[2]。

因此，為避免風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊，減少損失，筆者介紹了可用于風(fēng)電機(jī)組葉片防雷的接閃器技術(shù)。

1 雷擊對(duì)葉片的危害

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片是由兩半殼體和中間腹板組成的中空結(jié)構(gòu)。目前葉片多為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，基體材料為環(huán)氧樹脂[3]，輔材由輕木和硬質(zhì)泡沫制成。由于葉片特有的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其在遭受雷擊后存在以下?lián)p壞：

a. 葉片表面復(fù)合材料開裂、灰化和雷擊點(diǎn)的金屬部件燒毀或熔化；

b. 雷電時(shí)在葉片內(nèi)部的空腔體或內(nèi)表面形成電弧，并在電弧周圍形成壓力沖擊波，對(duì)葉片造成嚴(yán)重?fù)p壞；

c. 雷電流傳導(dǎo)到復(fù)合材料層中間時(shí)，由于層間有潮氣，內(nèi)部電弧加熱潮氣引起壓力沖擊，使葉片爆裂，或使葉片表面沿前、后緣和葉片大梁處撕裂損壞，致使葉片表面裂紋，甚至導(dǎo)致葉片完全碎裂，嚴(yán)重時(shí)壓力波會(huì)通過輪轂傳導(dǎo)到?jīng)]有遭雷擊的葉片上，引起聯(lián)鎖損壞；

d. 當(dāng)在葉片外部形成雷電弧，或當(dāng)雷電流通過橫截面積不足的金屬部分傳導(dǎo)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生輕微損壞。

2 葉片防雷措施

葉片雷擊保護(hù)的原理是將雷擊電流從雷擊點(diǎn)傳導(dǎo)到輪轂。因此可以在葉片表面或內(nèi)部固定金屬導(dǎo)體，使雷擊電流從雷擊點(diǎn)沿著葉片表面或內(nèi)部轉(zhuǎn)移到葉片根部，避免在葉片內(nèi)部形成雷擊電弧；另，可在葉片表面上增加一層導(dǎo)電材料，使葉片有充足的導(dǎo)電能力，能夠安全地把雷電流傳導(dǎo)到葉片根部。

葉片防雷措施主要有：在葉片表面或葉片內(nèi)部安裝接閃器；在葉片表面粘貼金屬箔，形成分段式避雷帶；在葉片表面增加導(dǎo)電材料。

國外研究機(jī)構(gòu)曾經(jīng)做過有接閃器和無接閃器的高壓試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果證明：無接閃器時(shí)，葉片截雷58%；有接閃器時(shí)，截雷100%。因此裝有接閃器的葉片更容易傳導(dǎo)雷電，降低葉片損壞概率。

3 葉片防雷接閃器

葉片接閃器防雷原理為：通過葉片表面的接閃器將雷電引入，電流通過葉片內(nèi)部防雷導(dǎo)線傳導(dǎo)至葉片根部的金屬法蘭或其他結(jié)構(gòu)，再通過風(fēng)機(jī)自身防雷系統(tǒng)將電流引導(dǎo)至大地，約束雷電，保護(hù)葉片(圖1)。

圖1 葉片接閃器防雷原理示意圖

研究表明，葉片遭受雷擊時(shí)，雷電的損害范圍取決于葉片形式。葉片材料全部絕緣并不會(huì)減少被雷擊的概率，反而會(huì)增加被雷擊的次數(shù)。全世界每年大約有1%～2%的運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片遭受雷擊，大部分雷擊事故只損壞葉片的尖部[3]，同時(shí)其他部位也存在雷擊現(xiàn)象，故葉片防雷接閃器結(jié)構(gòu)一般采用葉尖+葉身防雷結(jié)構(gòu)保護(hù)葉片免遭雷擊。葉尖防雷結(jié)構(gòu)可采用尖部柱體接閃器結(jié)構(gòu)或鋁尖接閃器結(jié)構(gòu)。

圖2中尖部柱體接閃器采用鋁板作為葉片內(nèi)部固定物，葉片合模前將其安裝在內(nèi)部，葉片脫模后在表面打孔，然后將銅質(zhì)鋁柱(或其他材料)結(jié)構(gòu)通過過渡配合安裝在鋁板上。這樣可以使鋁板和柱體結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，保證接觸面積和導(dǎo)電順暢，但柱體結(jié)構(gòu)安裝較為困難，不易更換。

圖2 尖部柱體接閃器結(jié)構(gòu)簡圖

圖3中鋁尖接閃器采用葉片尖部為鋁制葉尖，在葉片制造過程中將該結(jié)構(gòu)與葉片本體粘接為一體。該結(jié)構(gòu)接閃面積充足，并位于葉片的最高位置，可提升葉片接閃率，但由于葉尖為金屬結(jié)構(gòu)、葉身為玻璃鋼結(jié)構(gòu)，故對(duì)兩種材料的兼容性和長期運(yùn)行的磨損性提出了新的要求。

圖3 鋁尖接閃器結(jié)構(gòu)簡圖

葉身接閃器結(jié)構(gòu)也有兩種結(jié)構(gòu)：第一類采用銅柱或鋁柱A結(jié)構(gòu)(圖4a)，第二類采用銅柱或鋁柱B結(jié)構(gòu)(圖4b)。A類柱體結(jié)構(gòu)與尖部柱體接閃器結(jié)構(gòu)類似，同樣采用鋁板和柱體過渡配合的方式進(jìn)行連接。B類柱體結(jié)構(gòu)分別在葉片迎風(fēng)面和背風(fēng)面安裝接閃器，接閃器與內(nèi)部固定板采用螺紋配合的方式連接，最終將對(duì)稱的接閃器通過引線并入葉片內(nèi)部主導(dǎo)線上。B類柱體結(jié)構(gòu)制造方法較為簡單，并且接閃器出現(xiàn)問題后可擰出進(jìn)行更換，但在安裝時(shí)需注意避免螺紋受到污染。

a. 閃器A

b. 閃器B

接閃器結(jié)構(gòu)的要求有以下幾點(diǎn)：

a. 接閃器露出葉片的表面積需按照IEC 61400-24標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，一般規(guī)定大于200mm2[4]；

c. 接閃器的主要功能是接收雷電并引導(dǎo)電流，故須保證接閃器表面無污染，使整個(gè)結(jié)構(gòu)導(dǎo)電順暢；

d. 接閃器主要通過電纜導(dǎo)電，因此電纜必須有足夠的截面積保證電流傳導(dǎo)，通常要求電纜截面積至少50mm2，而且，電纜在葉片內(nèi)部鋪設(shè)過程中，必須通過一些剛性支撐防止松動(dòng)，避免磨損；

e. 葉片應(yīng)設(shè)有排水孔，保證葉片內(nèi)部無積水，避免潮氣，降低葉片的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

目前，絕大多數(shù)葉片接閃器采用上述結(jié)構(gòu)，但由于雷擊具有隨機(jī)性和破壞性，葉片還存在遭受雷擊損壞的風(fēng)險(xiǎn)，故在保證接閃器結(jié)構(gòu)導(dǎo)電順暢的同時(shí)，還需對(duì)葉片本體和防雷結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

4 結(jié)束語

隨著風(fēng)電的發(fā)展，葉片長度不斷增大，碳纖維材料的應(yīng)用更對(duì)葉片防雷結(jié)構(gòu)提出了新的要求，故應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的接閃器結(jié)構(gòu)和布局，同時(shí)兼顧葉片材料特性、接閃器結(jié)構(gòu)、接閃面積、固有電阻及相關(guān)結(jié)構(gòu)等，綜合性設(shè)計(jì)防雷體系，保護(hù)葉片及風(fēng)機(jī)其他部件免遭雷電破壞。

[1] 劉佼，肖穩(wěn)安，陳紅兵.全國雷電災(zāi)害分析及雷災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失預(yù)測[J]，氣象與環(huán)境科學(xué)，2010，33(4):21～26.

[2] 宮靖遠(yuǎn)，賀德磬，孫如林，等.風(fēng)電場工程技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3] 熊禮儉.風(fēng)力發(fā)電新技術(shù)與發(fā)電工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)用手冊(cè)[M].北京：中國科學(xué)文化出版社，2005.

[4] IEC 61400-24-2010，Wind Turbine Generator Systems——Part 24：Lightningprotection[S]. Switzerland：IEC,2002.

[5] 蘇邦禮，朱文堅(jiān).建筑物避雷與接地[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，1988.