风电机组叶片防雷接闪器技术

2014-05-29程林志仝世伟刘二恩张明辉

化工机械 2014年5期

王凯程林志史航仝世伟刘二恩张明辉

(许昌许继风电科技有限公司)

雷电是自然界中一种常见的放电现象，雷击释放出的巨大能量对建筑物和高空物体都有着严重的危害。现代风电机组类似于高大建筑物，具有遭受雷击的相关特性，其高度超过150m，且常布置在旷野、山地及海边等非常容易受到雷击的场地。风电机组的许多暴露部件(如叶片和机舱盖)往往由不能承受雷击的材料或不能传导雷电流的复合材料制成，叶片和机舱是旋转的，不利导流，雷电流必须通过风力发电机组传导至地面，雷电流的有效部分会直接通过几乎所有风力发电机的组件[1]。因此，即使做了防雷保护，还可能会使风电机组遭受雷击损坏。此外，风电机组是风场的贵重设备，价格占风电工程投资的60%以上。若风电机组特别是叶片和发电机遭受雷击时，除了损失维修期间发电所得之外，还要负担受损部件拆装和更新的巨大费用[2]。

因此，为避免风电机组遭受雷击，减少损失，笔者介绍了可用于风电机组叶片防雷的接闪器技术。

1 雷击对叶片的危害

风力发电机组的叶片是由两半壳体和中间腹板组成的中空结构。目前叶片多为玻璃纤维增强复合材料，基体材料为环氧树脂[3]，辅材由轻木和硬质泡沫制成。由于叶片特有的材料和结构特点，其在遭受雷击后存在以下损坏：

a. 叶片表面复合材料开裂、灰化和雷击点的金属部件烧毁或熔化；

b. 雷电时在叶片内部的空腔体或内表面形成电弧，并在电弧周围形成压力冲击波，对叶片造成严重损坏；

c. 雷电流传导到复合材料层中间时，由于层间有潮气，内部电弧加热潮气引起压力冲击，使叶片爆裂，或使叶片表面沿前、后缘和叶片大梁处撕裂损坏，致使叶片表面裂纹，甚至导致叶片完全碎裂，严重时压力波会通过轮毂传导到没有遭雷击的叶片上，引起联锁损坏；

d. 当在叶片外部形成雷电弧，或当雷电流通过横截面积不足的金属部分传导时，可能会发生轻微损坏。

2 叶片防雷措施

叶片雷击保护的原理是将雷击电流从雷击点传导到轮毂。因此可以在叶片表面或内部固定金属导体，使雷击电流从雷击点沿着叶片表面或内部转移到叶片根部，避免在叶片内部形成雷击电弧；另，可在叶片表面上增加一层导电材料，使叶片有充足的导电能力，能够安全地把雷电流传导到叶片根部。

叶片防雷措施主要有：在叶片表面或叶片内部安装接闪器；在叶片表面粘贴金属箔，形成分段式避雷带；在叶片表面增加导电材料。

国外研究机构曾经做过有接闪器和无接闪器的高压试验对比，结果证明：无接闪器时，叶片截雷58%；有接闪器时，截雷100%。因此装有接闪器的叶片更容易传导雷电，降低叶片损坏概率。

3 叶片防雷接闪器

叶片接闪器防雷原理为：通过叶片表面的接闪器将雷电引入，电流通过叶片内部防雷导线传导至叶片根部的金属法兰或其他结构，再通过风机自身防雷系统将电流引导至大地，约束雷电，保护叶片(图1)。

图1 叶片接闪器防雷原理示意图

研究表明，叶片遭受雷击时，雷电的损害范围取决于叶片形式。叶片材料全部绝缘并不会减少被雷击的概率，反而会增加被雷击的次数。全世界每年大约有1%～2%的运行风力发电机组叶片遭受雷击，大部分雷击事故只损坏叶片的尖部[3]，同时其他部位也存在雷击现象，故叶片防雷接闪器结构一般采用叶尖+叶身防雷结构保护叶片免遭雷击。叶尖防雷结构可采用尖部柱体接闪器结构或铝尖接闪器结构。

图2中尖部柱体接闪器采用铝板作为叶片内部固定物，叶片合模前将其安装在内部，叶片脱模后在表面打孔，然后将铜质铝柱(或其他材料)结构通过过渡配合安装在铝板上。这样可以使铝板和柱体结构紧密结合，保证接触面积和导电顺畅，但柱体结构安装较为困难，不易更换。

图2 尖部柱体接闪器结构简图

图3中铝尖接闪器采用叶片尖部为铝制叶尖，在叶片制造过程中将该结构与叶片本体粘接为一体。该结构接闪面积充足，并位于叶片的最高位置，可提升叶片接闪率，但由于叶尖为金属结构、叶身为玻璃钢结构，故对两种材料的兼容性和长期运行的磨损性提出了新的要求。

图3 铝尖接闪器结构简图

叶身接闪器结构也有两种结构：第一类采用铜柱或铝柱A结构(图4a)，第二类采用铜柱或铝柱B结构(图4b)。A类柱体结构与尖部柱体接闪器结构类似，同样采用铝板和柱体过渡配合的方式进行连接。B类柱体结构分别在叶片迎风面和背风面安装接闪器，接闪器与内部固定板采用螺纹配合的方式连接，最终将对称的接闪器通过引线并入叶片内部主导线上。B类柱体结构制造方法较为简单，并且接闪器出现问题后可拧出进行更换，但在安装时需注意避免螺纹受到污染。