王新亮

摘? 要：本文以風(fēng)力發(fā)電機(jī)接閃系統(tǒng)失效風(fēng)險定量評估方法為研究主題，以某研究人員提出的定量評估方法為例，在經(jīng)過研究后，得到相應(yīng)的結(jié)論。研究人員首先將先導(dǎo)發(fā)展物理模型作為依據(jù)，提出了定量評估風(fēng)力發(fā)電機(jī)接閃系統(tǒng)失效風(fēng)險的方法，經(jīng)葉片雷擊模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后得知，這種評估方法具有非常高的可行性。建議風(fēng)力發(fā)電機(jī)將葉尖包覆銅網(wǎng)的接閃系統(tǒng)型式作為主要選擇。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)? 接閃系統(tǒng)失效? 風(fēng)險定量評估方法? 研究

中圖分類號：TM614? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（c）-0010-03

Abstract： In this paper， the quantitative assessment method of failure risk of wind turbine lightning protection system is taken as the research subject， and the quantitative assessment method proposed by a researcher is taken as an example. After the research， the corresponding conclusions are obtained. Firstly， based on the physical model of pilot development， the researchers put forward a quantitative assessment method for the failure risk of wind turbine lightning protection system. Through the verification of blade lightning simulation experiment， it is known that this assessment method is highly feasible. It is suggested that the wind turbine blade tip covered with copper mesh lightning protection system is the main choice.

Key Words： Wind turbines; Air-termination system failure; Risk quantitative assessment method; Research

風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，容易受到諸多因素的影響，其中雷擊是導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障的重要原因，在受到雷擊之后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的接閃系統(tǒng)會面臨著失效風(fēng)險，針對這一風(fēng)險，研究領(lǐng)域尚未提出有效的定量評估方法。因此，本文以某研究者提出的定量評估方法為例，對此項(xiàng)課題展開研究，具有十分重要的意義。

1? 風(fēng)力發(fā)電機(jī)接閃系統(tǒng)雷擊屏蔽失效的含義和計(jì)算方法

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)接閃系統(tǒng)雷擊屏蔽失效的含義

研究者提出了一種評估風(fēng)力發(fā)電機(jī)接閃系統(tǒng)雷擊屏蔽失效的方法，從結(jié)構(gòu)上看，風(fēng)機(jī)葉片的材質(zhì)為絕緣材料，而接閃系統(tǒng)則與之相反，其材質(zhì)主要以金屬材料為主，其布置形式為多個金屬葉尖，與多個葉深接閃器的結(jié)合，其中葉片內(nèi)部腹板敷設(shè)的引下線，是金屬葉尖和葉尖接閃器的連接紐帶。在雷雨天氣下，由于葉尖和接閃器的材質(zhì)為金屬材料，容易在雷電的影響下起始于上行先導(dǎo)，然后與雷電下行先導(dǎo)連接，如果出現(xiàn)這種現(xiàn)象，則表明葉片接閃系統(tǒng)具有屏蔽雷電的效果，如果雷電先導(dǎo)與葉身絕緣部分先行接觸，則表明接閃系統(tǒng)無法屏蔽葉片。

葉片表面任意一點(diǎn)的上行先導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)，都會被平均電場強(qiáng)度所反映，二者之間具有正向關(guān)聯(lián)。我們在計(jì)算平均電場強(qiáng)度時，可以應(yīng)用公式（1）：

在上述公式中，下行先導(dǎo)頭部的電勢由Udown表示;葉片表面各潛在接閃點(diǎn)的電勢由Ui表示;下行先導(dǎo)頭部由d表示。

如果葉片表面某點(diǎn)起始穩(wěn)定上行先導(dǎo)，我們在表征風(fēng)機(jī)葉片表面各絕緣墊遭受雷擊概率時，可以對公式（2）進(jìn)行應(yīng)用。

在上述公式中，葉片各點(diǎn)受到雷擊的概率由P表示，可以用于對葉片區(qū)域整體雷擊風(fēng)險概率的表征[1]。

1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)接閃系統(tǒng)雷擊屏蔽失效的計(jì)算方法

在查閱相關(guān)資料后得知，雷云與地面之間的最小距離為2000m，而最大距離則超過了10000m，如果雷云與地面之間的距離較小，就會導(dǎo)致地面電場強(qiáng)度的產(chǎn)生。研究人員所設(shè)定的雷云與地面之間的距離為4000m，近地面在雷云的影響下，產(chǎn)生的電場強(qiáng)度為-15kV/km。雷云是雷電下行先導(dǎo)的起始點(diǎn)，并逐漸向地面擴(kuò)散，由于雷電下行先導(dǎo)分支，不會對近地面造成過大的影響，研究人員得出了如下結(jié)論：雷電下行先導(dǎo)會逐漸向近地面發(fā)展，并且只有一條主線。

目前，海上風(fēng)力發(fā)電發(fā)展十分迅速，究其原因，主要是海上風(fēng)力發(fā)電效率較高，但值得注意的是，海上風(fēng)力機(jī)在環(huán)境的影響下，鹽霧會在其葉片表面大量附著，這些鹽霧的附著，會導(dǎo)致葉片附近的電場強(qiáng)度和電導(dǎo)率增加，這種現(xiàn)象被稱為電荷積聚，對葉片附近空間造成的影響不容忽視，雷擊屏蔽失效率也會逐漸上升[2]。

考慮到上述影響因素，本文在建立數(shù)值計(jì)算模型時，對Comsol和Matlab進(jìn)行了應(yīng)用，基于雷電產(chǎn)生的流程，綜合考慮雷云電場和雷電下行先導(dǎo)通道電荷作用的影響，在此基礎(chǔ)上對葉片空間的電位分布進(jìn)行計(jì)算。在下行先導(dǎo)不斷發(fā)展的情況下，被鹽霧附著的葉片表面，其電荷密度會受到空間電場的影響，繼而呈現(xiàn)出增加的趨勢，這對于接下來的計(jì)算，會造成極為不利的影響。在計(jì)算階段，針對上述問題，研究人員所采取的方法為Dirichlet邊界條件，計(jì)算過程如下所述：

（1）在完成風(fēng)機(jī)模型的設(shè)置后，將葉片旋轉(zhuǎn)角度、雷云和雷電流初始參數(shù)輸入其中;

（2）在雷電下行先導(dǎo)向下發(fā)展的條件下，對空間各點(diǎn)的電勢和鹽霧附著層的表面電荷密度進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算;

（3）對葉片表面的上行先導(dǎo)起始是否存在進(jìn)行判斷，如果存在上行先導(dǎo)，則應(yīng)用上述公式，對葉片表面雷擊概率分布情況進(jìn)行計(jì)算;

（4）對葉片各角度的雷擊屏蔽失效率計(jì)算情況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，如果計(jì)算處于完成狀態(tài)，再進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷擊屏蔽失效率的計(jì)算[3]。

2? 計(jì)算方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 設(shè)置實(shí)驗(yàn)平臺

研究人員所設(shè)置的實(shí)驗(yàn)平臺如圖1所示，基于這一實(shí)驗(yàn)平臺，開展長間隙放電實(shí)驗(yàn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片，在工作狀態(tài)下會不斷旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)范圍可達(dá)0～360°，可以從中選擇典型角度。研究人員首先在絕緣臺上放置模型，放置的方式為水平放置，通過對引下線的使用，將其與地端子相連接。與此同時，還要將電極設(shè)置到樣件中心的正上方處。電極長度=20cm。在電極設(shè)置完成后，將標(biāo)準(zhǔn)雷電波形施加到電極之中，電壓幅值+500kV，放電擊穿率為100%。此外，本次實(shí)驗(yàn)還設(shè)置了3組不同的實(shí)驗(yàn)，模擬不同鹽霧附著程度的葉片，每組的實(shí)驗(yàn)次數(shù)為15次。為實(shí)現(xiàn)對海上鹽霧情況的真實(shí)模擬，對去離子水進(jìn)行了使用，通過配置人工海水的方式，模擬海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境，在測量后得知水的鹽度為每升35g，最后應(yīng)用固體層法，使鹽水附著于葉片表面。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究人員使用數(shù)碼相機(jī)拍攝了各組實(shí)驗(yàn)的放電路徑，并將其集成于一張圖片之中，在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)分析葉片表面接閃點(diǎn)的位置，為了對接閃點(diǎn)在葉片表面分布進(jìn)行準(zhǔn)確評價，集成圖片中的葉片表面的滑閃被完全去除。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無鹽水的接閃失敗次數(shù)為5次，在計(jì)算后得知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)接閃系統(tǒng)雷擊屏蔽失效率為33%;近葉尖1/2附著鹽水的葉片，其接閃失敗次數(shù)為8次，計(jì)算后得知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)接閃系統(tǒng)雷擊屏蔽失效率為53%;表面全附鹽水的葉片，其接閃失敗次數(shù)為13次，故風(fēng)力發(fā)電機(jī)接閃系統(tǒng)雷擊屏蔽失效率為87%。由此得出如下結(jié)論：研究人員應(yīng)用上述計(jì)算方法得到的結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，證明研究人員所提出的計(jì)算方法，具有良好的應(yīng)用價值[4]。

3? 風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷擊屏蔽失效率的應(yīng)用研究

3.1 風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)角度對雷擊屏蔽失效率的影響

將上述公式（1）和（2）作為依據(jù)，在計(jì)算后可以獲得風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片表面受到雷擊的概率，計(jì)算結(jié)果表明，遭受雷擊概率最大的區(qū)域?yàn)槿~片前的5m范圍內(nèi)，這個結(jié)果與其他文獻(xiàn)給出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相等。除此之外，葉身接閃器遭受雷擊的概率也非常高，故可以起到保護(hù)葉身的作用。此外，引下線會導(dǎo)致電場畸變，在觀察概率圖后得知，與引下線相對應(yīng)的葉身區(qū)域，呈現(xiàn)出山脊的形狀，這表明沿著引下線的葉身表面，相較于其他區(qū)域更容易遭受雷擊。

假定葉片的旋轉(zhuǎn)速度不變，同時使葉片的旋轉(zhuǎn)過程保持恒定，在計(jì)算后可以獲得葉片不同位置的雷擊屏蔽失效率，應(yīng)用研究人員所提出的計(jì)算方法，所得到的計(jì)算結(jié)果為0.247，與動態(tài)擊距法之間的差距為0.039?？紤]到平均強(qiáng)度比值是本文提出方法的基礎(chǔ)，因此與實(shí)際物理機(jī)制更加契合。

3.2 鹽霧附著對雷擊屏蔽失效率的影響

考慮到鹽霧在葉片上附著，會導(dǎo)致其雷擊屏蔽失效率受到不良影響，而海上所運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其葉片在環(huán)境的影響下，必然會附著鹽霧，如果長期得不到處理，隨著鹽霧濃度的增加，其表面會形成一層鹽水膜。在葉片的旋轉(zhuǎn)作用下，葉片與葉尖距離較近的位置，其濃度會超出其他區(qū)域。因此，研究人員在分析過程中，對接閃器-引下線型式接閃系統(tǒng)葉片進(jìn)行了應(yīng)用，研究其在鹽霧附著狀態(tài)下的遭受雷擊的概率。結(jié)果如下所述：（1）如果葉片被鹽霧附著，其遭受雷擊的概率和區(qū)域會呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢，具體范圍是葉片前的15m;（2）由于附著鹽霧的葉片容易遭受雷擊，故這一區(qū)域的葉身，其接閃器效率會顯著下降，無法達(dá)成預(yù)期的保護(hù)效果。計(jì)算結(jié)果表明，與無鹽霧附著的葉片相比，存在鹽霧附著的葉片，其雷擊屏蔽失效率會不斷上升。

3.3 接閃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式對雷擊屏蔽失效率的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用傳統(tǒng)接閃器-引下線型式的葉片接閃系統(tǒng)，由于制造成本低廉，故具備加強(qiáng)雷擊防護(hù)能力的條件，但在加強(qiáng)雷擊防護(hù)能力之后，其雷擊屏蔽失效率依然高達(dá)1/4。此外，引下線的敷設(shè)方式，所依靠的對象為葉片內(nèi)部主梁，但是在受到雷云和雷電下行引導(dǎo)的影響后，周邊電場強(qiáng)度會發(fā)生改變，這種改變被稱為畸變，與引下線存在密切關(guān)聯(lián)的葉片表面區(qū)域，其電場強(qiáng)度會逐漸改變，使葉片遭受雷擊風(fēng)險的概率大幅度上升。并且在受到雷擊后，雷電弧進(jìn)入葉片的概率會持續(xù)增加，在超過臨界值后，葉片會因此而破裂。

4? 結(jié)語

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電在近些年受到了我國的高度重視，故呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢，但就實(shí)際情況來看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，容易在雷擊的影響下，出現(xiàn)各種故障，故風(fēng)力發(fā)電機(jī)均設(shè)置了接閃系統(tǒng)。但這些接閃系統(tǒng)卻存在失效的風(fēng)險，尤其是位于海邊的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，葉片會附著鹽霧，導(dǎo)致接閃系統(tǒng)的失效概率增加，無法保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全。在計(jì)算和實(shí)驗(yàn)后得知，葉尖包覆銅網(wǎng)的接閃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有良好的應(yīng)用效果，建議電力企業(yè)采用。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃有慧，易華，楊瑞志.雷電導(dǎo)流條在風(fēng)力發(fā)電葉片防雷改造中的應(yīng)用[J].天津科技，2019，46（8）：57-58.

[2] 于萬水，李慶民，張敏昊，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)接閃系統(tǒng)失效風(fēng)險定量評估方法研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2019，39（12）：3551-3561.

[3] 黃勝鑫，陳維江，賀恒鑫，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組下行雷擊風(fēng)險計(jì)算方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2019，39（12）：3541-3551.

[4] 姚丙義.永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷接地保護(hù)探討[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2019，40（13）：180-181.

[5] 方占萍.雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)無速度傳感器控制策略的研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2019.

[6] 張華明.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組回轉(zhuǎn)支承聲發(fā)射特性研究與在線監(jiān)測應(yīng)用[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2019.