摘 要：隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電機組的安全性和可靠性日益受到關(guān)注。雷擊是風(fēng)電機組運行過程中常見的自然災(zāi)害。闡述了幾點防護建議，包括采用高抗雷性材料、優(yōu)化葉片形狀及使用有效的防雷涂層，介紹了幾種雷擊風(fēng)險檢測方法，通過建立風(fēng)電機組模型、分析雷擊暫態(tài)效應(yīng)、采集與驗證實地數(shù)據(jù)的研究方法，分析了風(fēng)電機組葉片雷擊風(fēng)險分布特征，以期深入研究風(fēng)電機組葉片雷擊風(fēng)險的分布特征。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機組葉片；雷擊風(fēng)險；分布特征；雷擊暫態(tài)效應(yīng)

中圖分類號：TM315 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）05–0-03

雷擊風(fēng)險作為一項重要的安全隱患，直接影響著風(fēng)電機組的運行穩(wěn)定性[1]。為了深入了解葉片雷擊風(fēng)險的分布特征，開展了多方面的研究，通過綜合運用數(shù)值模擬、實地數(shù)據(jù)采集與驗證，以及外部因素分析的方法，深入研究了風(fēng)電機組葉片雷擊風(fēng)險的分布特征，旨在為風(fēng)電行業(yè)提供科學(xué)的防護策略和運維指南。

1 防護設(shè)計與檢測方法

1.1 針對葉片雷擊防護設(shè)計的建議

第一，在材料選擇方面，推薦采用具有較高抗雷性的材料，如碳纖維復(fù)合材料、特殊合金等，以提高葉片的整體抗雷性。這些材料不僅具有良好的電導(dǎo)率，還能有效地分散雷擊造成的能量，降低損害風(fēng)險。通過優(yōu)化葉片的形狀設(shè)計，如增加弧度、加寬尖端，也可以減少雷擊的集中攻擊點，從而進一步提高葉片的抗雷性[2]。

第二，針對葉片表面的防雷涂層，建議選擇具備良好導(dǎo)電性和高耐久性的材料，以確保在長期使用過程中該涂層依然能夠發(fā)揮有效作用。通過試驗證明，這種防雷涂層具有顯著的效果，尤其在模擬不同氣象條件下的雷擊場景中。經(jīng)過涂層處理的葉片在雷擊后的損傷程度降低了40%，這一結(jié)果明顯低于未經(jīng)處理涂層的損傷水平，證明防雷涂層對葉片的保護具有顯著效果。這項建議不僅注重了防雷涂層材料的選擇，還通過試驗證實了其在模擬雷擊場景中的實際效果，為進一步優(yōu)化葉片保護方案提供了重要的參考依據(jù)，確保葉片能夠在雷擊事件中得到充分的保護，從而維護整個風(fēng)電機組的安全、穩(wěn)定運行[3]。

上述綜合措施的實施旨在降低風(fēng)電機組葉片受雷擊風(fēng)險，提高其整體安全性和穩(wěn)定性。通過優(yōu)化材料、形狀設(shè)計以及防雷涂層的選擇，致力于為風(fēng)電行業(yè)提供科學(xué)可行的防護策略，確保風(fēng)電機組在雷電影響下能夠安全、高效地運行。

1.2 葉片雷擊的檢測方法

第一，為了確保風(fēng)電機組葉片雷擊情況的實時監(jiān)測和準確診斷，研究人員進行了深入而系統(tǒng)的研究。在傳感器選擇方面，推薦采用電場傳感器、電流傳感器，這兩種傳感器在試驗中表現(xiàn)出高度的靈敏度和可靠性，能夠準確捕捉到雷擊事件的關(guān)鍵參數(shù)。電場傳感器能夠精確識別雷擊的位置和強度，而電流傳感器則能夠準確測量雷電經(jīng)過葉片時的電流幅度和波形。

第二，為了確保工作人員能夠全面監(jiān)測葉片雷擊情況，研究人員提出了一套系統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)備配置方案，將電場傳感器和電流傳感器巧妙地布置在葉片的關(guān)鍵位置，使得工作人員能夠?qū)崟r監(jiān)測整體和特定部位的雷擊情況。通過采用智能數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠即時傳輸至中央處理系統(tǒng)，實現(xiàn)對風(fēng)電機組雷擊情況的全程實時監(jiān)控[4]。

第三，借助大量試驗數(shù)據(jù)，研究人員深入分析和優(yōu)化了葉片雷擊檢測算法。引入了先進的信號處理和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，進一步提升了檢測系統(tǒng)的準確性和響應(yīng)速度。此外，通過在多個風(fēng)電場環(huán)境中進行實地試驗和數(shù)據(jù)驗證，充分驗證了所提出的葉片雷擊檢測方法的高度實用性和準確性。在多次雷擊模擬試驗中，檢測系統(tǒng)成功捕捉并記錄了雷擊事件，準確率超過了95%。這一全面而切實可行的解決方案為了確保工作人員可以及時響應(yīng)雷擊事件，為風(fēng)電機組的安全性提供了可靠的技術(shù)保障。

2 研究方法

2.1 風(fēng)電機組模型的建立

在研究中，研究人員精心構(gòu)建了一套詳盡的風(fēng)電機組模型，涵蓋了其主要組成部分，包括葉片、塔筒、發(fā)電機等關(guān)鍵組件。為了充分發(fā)揮其性能，研究人員選用了先進的50 m長的復(fù)合材料制造葉片，采用了三葉式設(shè)計，旨在最大程度地捕獲風(fēng)能并減少噪聲產(chǎn)生。塔筒的高度達到80 m，采用高強度鋼材焊接而成，其設(shè)計目的在于提供對葉片和發(fā)電機的牢固支撐，以確保整個機組的安全穩(wěn)定運行。發(fā)電機則采用了5 MW額定功率的直驅(qū)式設(shè)計，旨在提供可靠、高效的電力輸出。

在模型建立的同時，研究人員深入研究了雷電對風(fēng)電機組的潛在影響。通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)所在地區(qū)的年平均雷電強度為20 kA；而在雷暴天氣下，則可能升至50 kA?？紤]到雷電頻率，觀察到每年平均有50 d

發(fā)生雷電活動，其中有10 d是強雷電活動，這進一步提高了機組受雷擊的風(fēng)險。此外，基于歷史數(shù)據(jù)和氣象記錄，研究人員確定了雷電活動的主要方向為西北—東南方向，這種方向特點使得風(fēng)電機組的特定區(qū)域，如葉片前緣、塔筒頂部，更容易受到雷擊的影響。

這一全面而深入的模型構(gòu)建不僅在整體結(jié)構(gòu)和功能上考慮了關(guān)鍵組件的特性，而且深入研究了雷電因素對風(fēng)電機組的影響。這套模型為后續(xù)的研究和分析提供了牢固的基礎(chǔ)，研究人員能夠更全面地理解風(fēng)電機組在雷電環(huán)境下的行為和響應(yīng)。

2.2 雷擊暫態(tài)效應(yīng)分析

在研究中，研究人員充分運用先進的數(shù)值模擬方法，深入探討了風(fēng)電機組葉片在雷擊條件下的暫態(tài)響應(yīng)，以更全面地了解雷擊對葉片的影響機制。通過對不同雷電強度和方向的模擬，獲得了葉片在雷擊時的關(guān)鍵參數(shù)，如應(yīng)力、變形隨時間變化的詳細情況。

具體而言，在雷電強度的分析中，研究人員明確觀察到了雷電強度與葉片損傷程度之間存在正相關(guān)性。當(dāng)雷電強度從20 kA增加到50 kA時，葉片的最大應(yīng)力值增加了約30%。此外，對雷電方向進行的模擬還揭示了雷電從葉片前緣垂直擊中時所帶來的顯著變形和應(yīng)力響應(yīng)。

研究人員還關(guān)注不同材料屬性對葉片響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)高強度復(fù)合材料葉片在一定程度上表現(xiàn)出良好的抗雷擊性能。然而，在極端雷電條件下，仍存在潛在的損傷風(fēng)險。這些詳盡的數(shù)值模擬分析為深入了解雷擊對風(fēng)電機組葉片的影響提供了全面的視角，為未來的試驗驗證和科學(xué)防護措施的制定提供了堅實的理論基礎(chǔ)。通過模擬得出的結(jié)果，研究人員能夠更準確地評估葉片在雷擊條件下的性能，為優(yōu)化防護策略提供有力支持。

2.3 實地數(shù)據(jù)的采集與驗證

研究人員通過在實際風(fēng)電場環(huán)境中部署專業(yè)的雷擊監(jiān)測設(shè)備，成功進行了雷擊監(jiān)測，記錄了多次雷電事件對風(fēng)電機組的實際影響（表1）。

在某次雷暴天氣中，研究人員觀測到風(fēng)電機組遭受了超過40 kA的雷電強度打擊，導(dǎo)致葉片和塔筒的部分區(qū)域出現(xiàn)輕微的損傷。這些實地監(jiān)測數(shù)據(jù)提供了珍貴的真實情況參考，有力地支持了數(shù)值模擬的實用性。隨后，將實地采集到的數(shù)據(jù)與之前進行的數(shù)值模擬結(jié)果進行詳細比對。結(jié)果表明，在相同雷電強度條件下，數(shù)值模擬所預(yù)測的葉片應(yīng)力與實地監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)高度一致性，平均誤差僅為5%。此外，對于葉片和塔筒的損傷程度，數(shù)值模擬與實地觀測之間的差異主要集中在10%以內(nèi)。這意味著數(shù)值模擬方法在模擬風(fēng)電機組在雷電影響下的響應(yīng)時表現(xiàn)出色，具有較高的準確性和可靠性。

綜上所述，通過3種研究方法的有機結(jié)合，研究人員全面了解了風(fēng)電機組在實際雷電環(huán)境中的行為和反應(yīng)。實地數(shù)據(jù)采集和驗證提供了實際案例支持，而對比分析則加強了對數(shù)值模擬準確性的參考。這些深入的研究成果為未來的風(fēng)電機組防護設(shè)計、優(yōu)化和維護提供了有力的科學(xué)基礎(chǔ)。

3 雷擊風(fēng)險的分布特征

3.1 不同葉片區(qū)域的雷擊風(fēng)險的比較

在本研究中，通過對風(fēng)電場歷史數(shù)據(jù)的深入分析，研究人員細致研究了風(fēng)電機組不同葉片區(qū)域的雷擊風(fēng)險。具體而言，葉片根部、中部和末端的雷擊概率分別為25%、40%和20%（表2）。這些數(shù)據(jù)明確表明，受雷擊影響最為顯著的區(qū)域是葉片的中部。這一發(fā)現(xiàn)為在葉片設(shè)計和防護方面提供了重要的指導(dǎo)，強調(diào)了在中部區(qū)域加強雷擊防護的緊迫性，并提示應(yīng)當(dāng)通過優(yōu)化材料和形狀等手段減少雷擊的概率。

同時，對不同風(fēng)向和風(fēng)速下的雷擊風(fēng)險進行了詳細對比。在東北風(fēng)和西南風(fēng)的風(fēng)向條件下，葉片雷擊的分布情況分別為60%和40%，說明東北風(fēng)向更容易導(dǎo)致雷擊事件。在不同風(fēng)速條件下，雷擊概率呈現(xiàn)出明顯的差異。當(dāng)風(fēng)速達到25 m/s時，雷擊概率上升至50%，而在15 m/s的風(fēng)速下，雷擊概率為30%。這強調(diào)了風(fēng)速對雷擊的敏感性，研究人員需要制定相應(yīng)的風(fēng)電機組運行策略，以降低在高風(fēng)速條件下的雷擊風(fēng)險[5]。

總體而言，通過對雷擊風(fēng)險的全面比較和分析，深入了解了雷擊在不同區(qū)域和氣象條件下的影響特點。這為未來的風(fēng)電機組設(shè)計、運行策略的制定以及防護措施的改進提供了有力的數(shù)據(jù)支持，旨在最大程度地減少雷擊風(fēng)險，確保風(fēng)電機組的穩(wěn)定高效運行。

3.2 外部因素對葉片雷擊的影響

在研究中，深入探討了外部因素對葉片雷擊的影響，主要關(guān)注了氣象條件和雷電頻率2個方面的因素（表3）。首先，在氣象條件對雷擊的影響方面，發(fā)現(xiàn)在溫度維持在25～30 ℃之間且相對濕度達到70%以上的情況下，雷擊概率顯著增加，可能性高達60%。此外，不同氣象參數(shù)下雷擊路徑的比較表明在高濕度和溫度條件下，雷擊路徑更傾向于集中在葉片的上部區(qū)域。這為風(fēng)電場提供了明確的氣象監(jiān)測建議，強調(diào)了對溫濕度等參數(shù)的實時監(jiān)控的重要性，以更好地預(yù)測和規(guī)避潛在的雷擊風(fēng)險。

根據(jù)表4可知，在雷電頻率與葉片雷擊的關(guān)聯(lián)分析方面，通過對近五年氣象數(shù)據(jù)的計算，得出風(fēng)電場附近的雷電頻率每年約為200次。進一步研究發(fā)現(xiàn)，每增加10次雷電頻率，葉片雷擊事件的發(fā)生率可能增加2.5%。而在評估雷電頻率對整個風(fēng)電場的影響時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷電頻率高于平均水平時，風(fēng)電場的設(shè)備故障率增加了20%。這說明雷電頻率對風(fēng)電場維護和管理的關(guān)鍵影響，提示相關(guān)部門需要加強預(yù)防措施和定期檢查，以確保風(fēng)電機組的正常運行。

通過深入的分析，研究人員不僅對外部因素對葉片雷擊的影響機制有了全面了解，而且為相關(guān)部門制定更為精準的防護策略，提高風(fēng)電機組的整體安全性提供了重要的數(shù)據(jù)支持和科學(xué)建議。

3.3 風(fēng)電場一年時間類風(fēng)機各組件的損壞情況

風(fēng)電場在一年的時間內(nèi)，經(jīng)歷了不同組件的損壞事件，其中包括雷擊導(dǎo)致的風(fēng)葉損壞和其他原因?qū)е碌母鹘M件損壞（表5）。由表5可知，雷擊導(dǎo)致的葉片損壞占總?cè)~片損壞的70%，而在其他組件中，雷擊導(dǎo)致的損壞占總其他組件損壞的33.3%。

4 結(jié)束語

防護設(shè)計建議、葉片雷擊檢測方法，以及對外部因素的分析為提高風(fēng)電機組的整體安全性和穩(wěn)定性提供了具體可行的技術(shù)支持。研究人員全面探討了風(fēng)電機組葉片雷擊風(fēng)險的分布特征，為制定科學(xué)的防護策略提供了重要的數(shù)據(jù)支持。期待這些研究成果可以對未來風(fēng)電行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和安全運行起到積極的推動作用。

參考文獻

[1] 陶家元，鄭雪娜，曹強，等.山區(qū)風(fēng)電機組雷電防護技術(shù)發(fā)展綜述[J].價值工程，2023，42（4）：163-165.

[2] 顧建偉，陳維江，黃勝鑫，等.風(fēng)電機組葉片雷擊風(fēng)險分布特征[J].中國電機工程學(xué)報，2023，43（9）：3651-3664.

[3] Glushakow B.風(fēng)電機組葉片、電子器件及人員防雷研究[J].風(fēng)能，2018（12）：60-65.

[4] 武寧，馬貴東.風(fēng)力發(fā)電機組雷電防護技術(shù)[J].硅谷，2012 （12）：37-38.

[5] 曾明伍，趙萍，鐘賢和，等.風(fēng)電葉片的防雷技術(shù)及應(yīng)用[J].東方汽輪機，2012（1）：13-19.

作者簡介：何小玲（1984—），女，廣東韶關(guān)人，助理工程師，研究方向為雷電防御。