雷电导流条在风力发电叶片防雷改造中的应用

黄有慧，易 华，杨瑞志

(东方电气(天津)风电叶片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

在我国的西南、东南沿海地域，雷暴等自然灾害出现的频率越来越高[1]。伴随着风力发电机组的容积不断加大，雷电对机组的损耗也越来越大。现阶段风电机组的止损防雷问题已经引起了业主、主机厂、叶片生产商等有关单位的关注。根据各零件损耗等级来分类，可知风力发电叶片雷击损耗是众多损耗中最为严重的，其后果为严重的风力发电叶片穿孔、风力发电叶片开裂，甚至造成风力发电叶片的断裂。现有研究成果显示，假设风力发电叶片装置雷电导流条，那么雷电对风力发电叶片的损耗将减少，同时能增加风力发电叶片对雷电的防治能力[2]。

1 雷电导流条简析

雷电导流条是将雷电安全导入地下的能量转换装置。雷电导流器的概念最早出现于 1752年，出自富兰克林所创造的避雷针，后传入中国，广泛应用于飞行器的雷电防御[3]。根据结构分析，雷电导流器是由系统的、超薄的、具有导电性能的金属片用绝缘材料连接构成，其细节处的粘接是由复合型材料完成。雷电导流条的工作原理如图1所示。通常情况下超薄金属片之间的连接常有缝隙，所以导致出现断电状态，雷电导流条是绝缘体，单独的超薄金属片不会产生电流；但是当雷暴肆虐时，两个临近的超薄金属片的两端就会产生巨额电荷，从而形成羽毛状电弧，电压达到峰值的时候，电荷将会穿过金属片之间的空气，制造电离通道，接下来由雷暴产生的巨额电流就可以通过此通道被引导到地下。

图1 导流条工作原理Fig.1Working principle diagram of lightning guide bar

2 导流条接闪特性仿真分析

风力发电叶片的防雷系统通过已经安装完毕的风力发电叶片上的接闪器来传导雷电电流，从而达成定点引雷的目的。由于接闪器是由金属材料构成的接地导电仪器，雷云的出现一般会造成高压环境，很大程度上会发生上行先导与雷电下行先导的并行接触，从而将雷电电流传导于该位置。对风力发电叶片进行雷电电流依附仿真实验分析，在仿真软件中对叶尖上的防雷模型进行 3D建模，然后通过实验结果开展雷击依附简析。因接闪器和导流线都是金属制成，都有可能引发上行先导，故实验需要建立在符合风力发电叶片设计原理的基础上。

风力发电叶片的叶尖部分用来接引下线，导致叶尖部分周边环境的电势降低，较易把雷电电流传导至风力发电叶片的叶尖部分，但叶尖部分的防范能力是有限的。风力发电叶片装备雷电导流条之后，从仿真实验可以观察到，除风力发电叶片的叶尖部分外，雷电导流条所在区域的电势差有所降低，较易变成雷击依附点，因而加大了风力发电叶片防治雷电的区域。需要注意的是，风力发电叶片的下引线的电势同样是很低的，表明这片区域的上行先导的发生率升高[4]。另外，根据现场被雷击中的风力发电叶片的损耗程度以及对被雷击中的组织结构解剖分析，确认雷电只是打穿风力发电叶片表面部分的钢化玻璃结构，再一次击中其下引线。所以在安装雷电导流条的时候，应该达到该组织对雷电防治的标准。依据仿真实验结果，应该在风力发电叶片与其下引线之间的部分安装雷电导流条，使雷电导流条能够造成更低的电势差区域，才利于雷电导流条接闪。

3 导流条接闪特性实验验证

为验证雷电导流条对于风力发电叶片的雷电防治功能的提高程度，采取 IEC 61400—24条例里的“雷电实验”来验证风力发电叶片高压依附点的接闪能力。

首先针对无粘贴关系的雷电导流条开展雷电试验，根据条例要求先进行 54次雷击实验，依次将风力发电叶片以 90°、60°的角度连接接闪器，实验结果接闪器成功运作[5]；当以 30°的角度对高压平板电击时开始出现击穿现象，继续以同样的角度连续试验2次，结果均显示有击穿现象。这说明风力发电叶片在现实环境中处于这个角度较易出现雷击损耗风险，而且还存在二次伤害的可能性。

在已经被雷击穿的风力发电叶片上安装雷电导流条，继续进行雷击试验，直接以 30°的姿态进行测试接闪，实验结果接闪成功，在 5°～10°同样成功接闪。由此实验结果可以得出，风力发电叶片在安装了雷电导流器之后，其自身的雷电防护系统的性能得到大幅提升。