叶片防雷技术

摘要 目前世界新能源市场上以风力发电作为主要发展方向,而其中叶片的防雷技术是确保风力发电机组安全性的关键因素,现代风力发电机组所采用的叶片防雷技术为其安全运行提供了保障。

关键词 叶片防雷;防雷技术;新能源

中图分类号TM315 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)24-0146-02

0 引言

风能是世界上清洁能源利用中最具商业价值的能源,是未来可再生能源领域里重要一员。目前,风力发电的商业化发展如火如荼,与之相配套的叶片防雷技术的发展也十分迅速。风力发电机组可靠性中最关键的一个问题是叶片防雷技术,随着风力发电机组高度和发电功率的增加,雷击风力发电机组的概率也会成正比增长。风力发电机组中最危险的部件是风轮叶片。因此,其良好的防雷设计是保证风力发电机组连续稳定运行的决定因素。

1 国内目前风力发电机组遭受雷击现状

我国当前风电机组都设置在风力强大的地区,并且设置在高于周围地区的制高点上,由于周围缺少其他高大物体,因此它更容易被雷电吸引。据统计,每100台风力机,一年雷击故障多达14次。7%~10%的雷击都将造成叶片的损坏。相比较其他因素导致的故障,雷击所造成的故障将造成40%多的能量损失,停机时间也因此增加20%多。其中叶片的损毁是最昂贵的损坏。据估计,全世界每年遭受到雷电袭击的风轮叶片占其总量的1%~2%。从叶片受雷击的损坏部位看,多数情况发生在叶尖是比较容易被修补的,但少数情况则会造成整个叶片无法使用,需要更换。雷击风机往往会造成风机电系统的过电压,造成风机各种化控制系统和通信元件的烧毁、发电机被击穿、电气设备损坏等严重事故。所以,雷害是威胁风机安全经济运行的严重问题。

2 雷电产生的机理

风力发电特点:风机分布安置多在比较空旷的地区,大型风机叶片最高点(转子半径加轮毂中心高度)达75~105m,极易遭受雷击。风力发电机组的电气绝缘性能较低(发电机电压690 V、并采用大量通信及自动化控制元器件)。因此,相比较常规发电机组,其防雷性能的环境要恶劣许多。

雷击可以被认为是一个强电流源。目前有记载的单次雷击电流最大值超过了30万安培。在世界范围,这样的大电流雷击发生的概率极小。中等量值的雷电流峰值大约为3万安培。此外,雷闪的类型及风机所处地理位置而变化对雷击的电气特性有较大影响。沿着同一电离路径的整个放电过程称为闪电,其持续时间可以达到1s以上。空中的尘埃、冰晶等物质在大气运动中剧烈摩擦生电以及云块切割磁力线,在云层上下层分别形成了带正负电荷的带电中心,运动过程中当异性带电中心之间的空气被其强大的电场击穿时,就形成放电。云地放电是对风电场运行带来的主要危害,地面上的凸起物、金属等,会与向下接近地面带负电荷的云层感应产生出正电荷,形成逐步增强的电场,雷云产生向下的下行先导,地面突起物体形成向上闪流,二者之间产生的电位差达到一定程度时,即发生猛烈对地放电。山顶、高于地面的物体、高大建筑物顶部和风力机的叶片等处,电场的能量足以强到导致地面与雷云之间发生的向上运动的先导。高度超出地表面100m的现代风力发电机组,明显地暴露在向上闪击中。雷击的破坏作用主要是:电效应破坏、热效应破坏和机械效应破坏。

3 雷电的主要特点

1)冲击电流大:其电流高达几万到几十万安培;

2)时间短:雷击分为三个阶段,即先导放电、主放电、余光放电,整个过程一般不会超过60μs;

3)雷电流变化梯度大:雷电流变化梯度大,有的可达10kA/μs;

4)冲击电压高强大的电流产生的交变磁场,其感应电压可高达上亿伏。通常雷击有3种形式:直击雷、感应雷、球形雷。

4 叶片损坏现象和机理

雷击点出现的典型损坏是:

1)雷击将导致叶片的玻璃纤维断裂,内部的导电部件烧毁或熔化;

2)叶片内部将产生由于雷击形成的电弧;

3)雷击导致叶尖和导电部件之间形成电弧;

4)雷击电流产生的电弧,将导致叶片玻璃纤维夹层之间的水蒸气,在迅速加热的情况下爆裂引起压力冲击叶片。

5 叶片防雷方案的关键――叶片接闪器

现代风电机组采用国际先进的叶片防雷技术,据相关试验表明,叶尖是雷击的多发部位,而相对较弱的雷击则多集中在叶片的较下方。叶片接闪器的面积较小,可能导致雷击发生在叶片表面也不被接闪器接收。雷击分为正极性雷电和负极性雷电,前者容易击中叶片表面,后者容易击中接闪器。雷击电流通过叶片接闪器及其导体迅速通畅地经过叶片和机舱传引入大地。

国外叶片防雷技术的研究已经开展多年,各国雷电专家、风机及叶片制造、保险业、风电场和商业组织在内,都针对风机防雷的做出了大量工作,为避免雷击导致叶片的损坏,开发经济安全耐用的防雷叶片。研究人员在实验室进行一系列的仿真测试,验证叶片结构特性和雷击安全性之间的联系。研究表明:无论叶片的材料是木头还是玻璃纤维,或是叶片贯穿导电体,叶片的型式才是导致雷击损坏范围的决定因素。即使叶片全部采用绝缘材料也无法减少被雷击的危险,相反还会增加损坏的次数。研究还表明:叶尖背面是发生雷击的主要区域。装在叶尖的接闪器更有利于捕捉雷击,再利用叶片内部导体将电流引入大地,该设计简单、经济且非常耐用,起到引导电流,保护叶片的作用。现在风机叶片的防雷,是按照IEC1024-1的Ⅰ级保护水平设计,并通过有关型式认证。因此,大大改善了叶片遭受雷击破坏的可能性。如果接闪器或导电部件需要更换,也只是机械性的更换。

6 结论

兆瓦级风力发电机组作为我国陆地风力发电机组的主流型号,在为获得最大风能的同时,又保证雷击条件下机组及重要部件的安全性,叶片所采用的此种防雷技术无疑具有更先进的技术优势。该技术的应用,提高了国产风电机组同行业内的竞争实力,为进军国际市场赢得了主动。

参考文献

[1]施鹏飞.我国风电场将进入大规模发展时期[D].20 世纪太 阳能新技术(2003 年中国太阳能学会学术年会论文集).上海:上海 交通大学出版社,2003.

[2]叶枝全,黄继雄,陈严,等.风力机新系列翼型的气动性 能研究[J].太阳能学报,2002(2).

[3]董永祺,熊学斌.国产风力发电机FRP 叶片一瞥[J].风力 发电,2001(4):50-52.