风力机组防雷技术研究

郭宁李春曦叶学民/华北电力大学能源动力与机械工程学院

风力机组防雷技术研究

郭宁李春曦叶学民/华北电力大学能源动力与机械工程学院

风力发电是一种清洁的可再生能源，近年来快速发展。随风力机出力需求的不断增大，风力机塔筒高度和叶片直径随之增加，但与此同时，也增加了风力机遭受雷击的风险，因此风力机组防雷技术的研究不容忽视。在雷击损坏中，叶片最易遭受雷击，本文针对国内外的研究成果，对风力机叶片雷击损坏机理及其防雷措施作了比较全面的阐述，最后分析对比了风力机组的两种防雷系统设计，使整个风机机组雷击损坏降至最低，为风力机防雷设计提供依据。

风力机组；叶片；防雷保护；接闪器；引下线

0 引言

风能是一种环境友好型的可再生洁净能源，在过去十年里，风能技术发展迅猛，风能已经成功跻身当前技术最成熟、最具开发条件的高效能源行列。全球变暖问题的日益突出更是加速了风能进一步开发和深入研究。根据国际风能理事会（GWEC）的报告显示，截止2010年，全球风能装机容量大约200GW，并预测到，在未来五年内将有大幅度的增长，到2015年，累计装机容量可能达到450GW[1]。我国风能资源丰富，总量大约25亿千瓦，累计装机容量到2010年底已超过美国，跃居世界第一[2]。

随着风力机组容量的增大，轮毂高度也从50米增至150米，一个叶片就达到30多米，而且风力机一般分散在空旷原野、山顶或海上，因此雷击就成为影响风力发电机组运行安全的一个重要因素。在我国雷击损坏情况较为严重，近年来仅风力机叶片的雷击年损坏率就达5.5%[3]。据观测数据统计[2]，风机雷击事故中，叶片的损坏事故占总数的20%，控制系统、电子系统和传感器各占36%，26%和12%，其它部位雷击损坏仅占6%。叶片处于风电机组的最高位置，形状细长，极易在顶端形成尖端放电，触发迎面先导，引发雷击。由于叶片是风力发电机接受风能的部件，因此叶片结构好坏直接影响叶片接受风能的效率和叶片的寿命。另外，叶片受雷击的损坏中，多数在叶尖是容易被修补的，但少数情况则要更换整个叶片，除了损失修复期间应该发电所得之外，还要负担修补或更新的费用。因此，对风力发电机叶片的雷击损坏情况进行分析，并采取有效的防护措施对于风力机组的安全运行至关重要。

目前，国内对风力机雷电保护的研究还处于起步阶段[2-6]，国外在这方面的研究相对较多[7-16]，本文结合国外的研究资料，分析风力机叶片遭遇雷击时的损害机理及其防护措施，为我国风力机在雷击自然灾害下的安全运行提供参考。

1 叶片遭受雷击的损坏现象及机理

雷击通常有三种形式：直击雷、感应雷以及球形雷。由于叶片位置最高，是最易受直击雷的部件，因此叶片的损坏都和直击雷有关。直击雷造成叶片损坏主要是热效应、机械效应和电效应破坏。叶片遭遇雷击的典型后果是叶片开裂（机械损坏），复合材料表面灰化以及雷击点的金属部件烧毁或熔化（热效应）；而雷电在风力机叶片内形成电弧将导致最严重的损坏，雷电释放的巨大能量，使得叶片结构温度急剧升高，分解叶片内部气体，高温膨胀压力上升，当雷电流传到复合材料层之间时，因为层间存在潮气，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着前后缘和叶片承载梁处撕裂损坏（小至叶片表面发生裂纹，大到叶片完全碎裂）。有时，压力波会通过轮毂从受雷击的叶片传到其它叶片上而引起连锁损坏。因此，导致风力机叶片严重损坏的是叶片内部的雷电弧周围形成了压力冲击波，而避免这一现象的办法是将雷击通道屏蔽在叶片外部，或者减少雷电对叶片的冲击压力，当雷电弧在叶片外表面形成或当传递雷电流的金属部件的截面积足够大时，风力机叶片的损坏会比较小。风力机叶片表面遭遇雷击时的损坏现象见图1。

图1 风力机叶片遭遇雷击的损坏现象图

目前，叶片防雷保护的主要思路是将雷电流安全地从雷击点传导到接地轮毂[19-22]，从而避免叶片内部雷电电弧的形成。从现场观测及相关研究表明，多数叶片遭受雷击的部位主要是叶尖背面（或吸力面）[3]及边缘位置。丹麦LM公司在不断研究的基础上，叶片防雷性能得到了发展，在叶尖装有接闪器（见图2），然后通过叶片内腔的金属导体作为引下线，连接接闪器和轮毂处的法兰，通过轮毂与塔筒的等电位连接系统将雷电流泄放，保护叶片。该方法设计简单又耐用，如果接闪器或传导系统附件需要更换，只是机械性的改换，而且不影响风力发电机原有的气动性能特性，所以被叶片制造商广泛采用。

图2 LM公司风力机防雷片图[3]

2 叶片防雷措施

2.1 利用孤立的避雷塔捕捉雷电[12]

该保护方法是在风力机旁边竖立一座避雷塔来主动拦截雷电，使得旁边的风力机免受雷击。在雷暴天气下，当风向固定或变化不大时，该方法相当有效，此时，避雷塔应该建立在风力机迎风侧；对于风向变化大的情况，必须竖立两个或多个避雷塔才能够起到保护风力机的效果，但是建立一座高避雷塔需要耗费大量钢材，对于农村、海岛等边远地区，不实际也很不经济。另外，此办法不适合单台风力机，而适合几十台风力机形成的风场，多台风力机共用一座避雷塔。

2.2 机舱上安装避雷针避免叶片损坏[12]

为了确保大部分雷电流被机舱上的避雷针捕捉，避雷针应该足够长。虽然机舱上的避雷针比叶片的长度要短，但是它的使用有效地降低了叶片损坏，原因有两个：1）安装在机舱的避雷针能够捕获一部分雷闪放电，降低了叶片的雷击概率和电流大小，从而使得叶片的破坏程度降低。但是，如果叶片表面污浊或受盐雾侵蚀（海上风电场经常遇到），叶片表面就等效于导体材料，则机舱上的避雷针的效果就会降低；2）当三个叶片中的一个与地面垂直，则此时叶片顶端的高度是机舱和叶片长度的和，但是若叶片与垂直方向成60°，则其高度就是机舱和1/2叶片长度的和，此时机舱上避雷针的效果就很突出。因此，在整个运行过程中，机舱上安装避雷针有助于风力机叶片雷击保护。

2.3 普遍的叶片防雷措施

前面两种措施通过降低雷击叶片的概率抑或是通过叶片的电流大小来间接保护风力机叶片。但是要深程度的降低叶片雷击损坏，就必须从叶片自身出发来探究其雷电保护措施。通常有两种方法：一种是通过在叶片外表面或内部安装金属导体将雷电流从雷击点传导到叶片根部，然后通过轮毂与塔筒的等电位连接系统将雷电流导入大地；另一种是在叶片表面添加导电材料，使雷电流沿叶片表面传导，从而避免叶片内部雷电电弧的形成。

2.3.1 叶片外表面或嵌入表面安装接闪器的雷电保护系统

图3叶片的不同防雷措施图[5]

图3 展示了四种不同叶片的雷电保护系统。其中类型A，B在叶片表面尖端嵌入一个金属装置作为接闪器，在叶片内部布置金属导体作为引下线，将接闪器处的雷电流传导至叶根。A中翼型由于安装有叶尖制动装置，所以用控制叶尖端的钢丝来代替在叶片内部预制导线（类型B）作为引下线。叶片表面安装接闪器的目的是希望雷电仅仅击中叶片的设计规定位置，即接闪器，以控制雷电流安全的导入大地。然而，长叶片的雷击点不一定是叶尖接闪器，长度大于30m的叶片，至少应该安装两个以上接闪器[5]。而对于嵌入叶片表面的接闪器或引下线，如类型C，是将金属导体沿着叶片前缘与后缘植入叶片表面。

除了圆形（或盘状）接闪器外，还有一种保护方法是在叶尖安装带有引下线系统的金属帽，在文献[12]的实验中，用铜带作为接闪器覆盖了样本叶片前端的260mm的部分，实验中叶片被倾斜放置，见图4。实验结果表明，相对带圆盘形接闪器的雷击保护装置，该类型的叶片防雷系统具有相对高的保护效果，Arinaga等[23]进行的雷击模拟实验也同样得到相同的结论。

图4 带有导电帽的样本叶片的放电方式图[12]

2.3.2 叶片表面添加导电材料

研究表明，叶片全绝缘并不减少被雷击的危险，而且会增加损害的次数[3]。在航空工业中，机翼的雷电保护系统常在机翼外表添加导电材料，以便减少对雷击点的小面积的损坏。导电材料可以喷涂在复合材料的表面，或者是位于复合材料表面的金属网，也可以沿着叶片壳体两侧，将金属网植入叶片表面漆的下面（如图3中类型D）。

由于风力机单机容量的增加，风力机叶片长度随之增加，截止到2010年，记录的最长风力机叶片大概为60m[24]，几乎接近商业飞机的长度（80m）。因此，在叶尖安装一个接闪器已经无法满足叶片防雷需要，虽然增加雷电接闪器的数量能够改善雷电保护效率，但也增加了叶片的重量和成本。Madsen等[9]指出，可以通过改善叶片材料击穿特性，来降低雷电击穿表面的风险。文章中基于IEC60243-3《固体绝缘材料的电气强度试验方法》描述了评估风力机叶片材料的击穿和承受电压的测试方法，模拟了雷电击穿绝缘材料层向内部接地导线放电的情形。实验结果表明，叶片复合材料厚度的增加，使得击穿和承受电压降低，特别是对于由层压板和涂料层组成的叶片或是单独由层压板制成的叶片，这种效果很明显，而涂料层厚度对叶片击穿和承受电压的影响却不大；另外，当厚度达到某一值时，场强减小幅度降低，这是因为材料中一定含量的空气腔引起的体积效应造成的。

2.4 其它叶片防雷技术

2.4.1 叶片上安装背面电极

尽管许多大型风力机叶片安装有接闪器，但是雷击损坏叶片的事故仍然发生[25-26]。因此，对装有接闪器的叶片很有必要研究新的雷击保护方法。Minowa等[7]认为通过使用背面电极，能够使雷电放电平稳地导向接闪器（见图5），进而完成了关于设置背面电极对风力机叶片雷击保护影响的基础实验，研究发现，采用背部电极能够对风力机叶片提供防雷保护[27]，并且制作了带有背面电极的测试模型叶片来完成关于背面电极影响雷击损坏的实验，实验方法及测试模型叶片见图6和图7。

图5 带有背面电极的叶片沿面放电平稳的传至接闪器图[7]

图6 测试方法图[7]

实验中，施加在电极上的雷电冲击波头时间与波长时间分别为1.0/40μs，采用升降法来测试背面电极上50%的闪络电压。实验结果见图8，测试1中放电全部击中接闪器，50%的闪络电压值为-170kV，而测试2中，放电沿背面电极平稳地传导至接闪器，50%的闪络电压值为-188kV。然而在该实验中，测试模型叶片被击穿，分析原因可能是测试叶片材料GFRP内部存在影响击穿特性的空腔所致。另外，Minowa等[7]通过另一个实验发现被3%或5%浓度盐水溅湿的叶片，表面上的闪络电压降低为干燥时的一半。因此可以认为海上的风力机叶片表面被海水溅湿对风力机叶片防雷击保护有影响。

图7 测试模型叶片及背面电极的尺寸图[7]

2.4.2 引下线的布局对雷电保护的影响

通常情况下，一个雷电保护系统的引下线可以安装在叶片内部或外部，然而采用内部引下线已经成为叶片制造商普遍采用的防雷措施，很大程度上是出于维护风力机原有的气动特性，但是这种方法可能存在叶片遭受雷击时分解、点燃的危险。Ayub等[13]探究了安装外部引下线对叶片防雷更有利的可能性。作者以地面上其他结构的防雷系统为例说明，例如居民房屋，某个结构雷电保护系统的组成元件具体如何互相连接完全取决于地面上该结构的几何形状，只要雷闪放电限制在防雷系统中，该结构受到的破坏就会大幅度降低。同时介绍了风力机叶片粗糙度、尾流湍流度对风力机气动性能的影响，权衡考虑之后，作者认为，和内部引下线相比，风力机叶片外表面安装雷电保护系统，即接闪器和引下线，能够降低雷击损坏的风险。然而，伴随以下几个问题需要进一步研究，例如：

1）叶片外部表面安装引下线可能危害它的气动性能，这种危害在哪个范围内能够接受？

2）叶片表面引下线的存在能作为雷击的外部连接点，一个引下线是否足够？

3）外部引下线的安装减少了雷电流流向叶片表面的危险，从而降低了叶片分裂的可能，因此要求保持无电流泄漏。

2.5 风力机叶片旋转对雷击的影响

现在大型的风力机均采用变桨距功率调节方式，由于其避免了定桨距调节方式中超过额定风速时发电功率下降的缺点，因此在风力机运行期间，雷击点会随着叶片旋转时安装角变化而移动[12]。在Branko[11]从理论分析和实验研究两个方面阐述风力机叶片旋转对雷击的影响。在高压试验室中，对特殊设计的拱形电极（或沿绝缘拱形筒分散布置的数个杆状电极）与变频控制尺寸缩小的风力机模型叶片间加载冲击电压，在风力机叶片尖部安装接闪器，应用升降法来测定叶片上50%的闪络标准电压。根据相似理论，文章讨论了风力机不同转速下的大气放电特性。研究表明，由于叶片的旋转使得叶片上接闪器区域的直击雷减少；在雷电和高风速的极端天气下，风力机叶轮的旋转速度不应该低于其临界速度，这样会使得叶片上空气终端系统（即接闪器）区域处的直击雷数量减少，由此引起的破坏性降低。

3 风力机组防雷保护系统

前面详细介绍了风力机叶片的防雷技术，但是要保证整个风力机能够安全可靠运行，必须使风力机每个部件都免遭雷击，即要有一套合理的风力机防雷系统。

图9 风力机的雷电保护系统图[16]

传统的风力机防雷保护系统如图9(a)，即在叶片上安装接闪器，然后将雷电流由与接闪器连接的引下线（截面积一般为50mm2）导入大地，仅仅保护了叶片，但是如果这部分没有正常工作，雷电流将毁坏所有流经过的部件，包括叶片，机舱内的机械、电气及电子元件，进而造成风力机塔筒倒塌，甚至可能导致接地系统电压升高，产生跨步电压和接触电压危及人身安全[15]。因此，Hooman[16]提出了另外一种方案如图9（b）。图中，在机舱附近安装两个环形电极，一个垂直连接在前锥体上，另一个位于机舱下部的塔筒顶端处，为了避免叶片旋转和机舱转向时产生机械摩擦，两个环形电极之间有一窄隙。来自接闪器的雷电流通过传导线到达上部环形电极，在两个电极之间电场逐渐增大最终击穿，接着向下导至地面接地系统。该方法可以将雷电流引向大地而不是风力机的其他部件。然而，有时雷电的电压和电流非常大，以至于不能通过两个简单的环形电极将雷电导入大地，为了解决该问题，可以在环形电极周围缠绕一些线圈。当叶片并未将雷电流传导至风力机的其他部位，例如轴，而是导入上部环形电极时，这种方法就很有效；当电流传导至轴上时，由于轴上安装了扼流圈，能够吸收来自轴的电流能量，即轴上的电流在扼流圈上产生磁通量，诱导其产生感应电流，然后将感应电流在扼流圈上产生的热量散发到周围环境中，使得轴上的电流减少。

该方案克服或减少了前一种方案的缺陷，它尽量避开风力机内部部件，但当雷电触及到内部元件时，可以通过扼流圈阻止雷击或者减少雷击造成的破坏。

4 结论

雷击是影响风力机组运行安全的重要因素，故对风力机组防雷技术的研究刻不容缓。本文结合了国内外关于风力机防雷技术的研究资料，分析了叶片雷击损坏的现象与机理，阐述了风力机叶片的多种雷电防护措施，综合考虑传统与改进后风力机组防雷系统的外部和内部防雷措施，对比分析其优缺点，以使风力机组雷击损坏降至最低。为雷暴环境中风力机组安全持续运行提供可靠保证，对国内发电机组防雷设施的研究和开发提供借鉴。

目前，对于风力机组的防雷技术大多是处于理论与实验室研究模拟测试阶段，实验中测试用的模型大多数是尺寸缩小的叶片，而实际中风力机的叶片足够长，在雷击过程中，可能会出现叶片强度方面的问题，例如叶片中间某处折断，故实验中应该考虑该因素。

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Research on Lightning Protection Technology forW ind Turbines

Guo Ning,Li Chunxi,Ye Xuemin/Energy Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University

Wind power is the clean and renewable energy and has rapidly developed in recent years.With the increasingly demands for wind turbine output,the height of tower and diameter of blade is increasing aswell.However,italso increases the risk of struck by lightning on wind turbine.Therefore,the research on lighting protection technology for wind turbines cannot be ignored.The blades are most vulnerable to being struck by lightning.Aiming at the foreign and domestic research achievements,this paper made comprehensive exposition for the damagemechanism of blades being struck by lightning and its protections.Finally, two kind of lightning protection systems or wind turbines are analyzed and contrasted, which minimized the damage caused by lightning in wind turbines and provided foundation for lightning protection design ofwind turbine.

wind turbine;blade;lightning protection;lightning receptor;down conductor

TK83；TK05

A

1006-8155（2015）04-0076-08

10.16492/j.fjjs.2015.04.076

2014-08-06河北保定071003