风电机组叶片雷击风险分布特征分析

摘 要：随着风电产业的快速发展，风电机组的安全性和可靠性日益受到关注。雷击是风电机组运行过程中常见的自然灾害。阐述了几点防护建议，包括采用高抗雷性材料、优化叶片形状及使用有效的防雷涂层，介绍了几种雷击风险检测方法，通过建立风电机组模型、分析雷击暂态效应、采集与验证实地数据的研究方法，分析了风电机组叶片雷击风险分布特征，以期深入研究风电机组叶片雷击风险的分布特征。

关键词：风电机组叶片；雷击风险；分布特征；雷击暂态效应

中图分类号：TM315 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）05–0-03

雷击风险作为一项重要的安全隐患，直接影响着风电机组的运行稳定性[1]。为了深入了解叶片雷击风险的分布特征，开展了多方面的研究，通过综合运用数值模拟、实地数据采集与验证，以及外部因素分析的方法，深入研究了风电机组叶片雷击风险的分布特征，旨在为风电行业提供科学的防护策略和运维指南。

1 防护设计与检测方法

1.1 针对叶片雷击防护设计的建议

第一，在材料选择方面，推荐采用具有较高抗雷性的材料，如碳纤维复合材料、特殊合金等，以提高叶片的整体抗雷性。这些材料不仅具有良好的电导率，还能有效地分散雷击造成的能量，降低损害风险。通过优化叶片的形状设计，如增加弧度、加宽尖端，也可以减少雷击的集中攻击点，从而进一步提高叶片的抗雷性[2]。

第二，针对叶片表面的防雷涂层，建议选择具备良好导电性和高耐久性的材料，以确保在长期使用过程中该涂层依然能够发挥有效作用。通过试验证明，这种防雷涂层具有显著的效果，尤其在模拟不同气象条件下的雷击场景中。经过涂层处理的叶片在雷击后的损伤程度降低了40%，这一结果明显低于未经处理涂层的损伤水平，证明防雷涂层对叶片的保护具有显著效果。这项建议不仅注重了防雷涂层材料的选择，还通过试验证实了其在模拟雷击场景中的实际效果，为进一步优化叶片保护方案提供了重要的参考依据，确保叶片能够在雷击事件中得到充分的保护，从而维护整个风电机组的安全、稳定运行[3]。

上述综合措施的实施旨在降低风电机组叶片受雷击风险，提高其整体安全性和稳定性。通过优化材料、形状设计以及防雷涂层的选择，致力于为风电行业提供科学可行的防护策略，确保风电机组在雷电影响下能够安全、高效地运行。

1.2 叶片雷击的检测方法

第一，为了确保风电机组叶片雷击情况的实时监测和准确诊断，研究人员进行了深入而系统的研究。在传感器选择方面，推荐采用电场传感器、电流传感器，这两种传感器在试验中表现出高度的灵敏度和可靠性，能够准确捕捉到雷击事件的关键参数。电场传感器能够精确识别雷击的位置和强度，而电流传感器则能够准确测量雷电经过叶片时的电流幅度和波形。

第二，为了确保工作人员能够全面监测叶片雷击情况，研究人员提出了一套系统的监测设备配置方案，将电场传感器和电流传感器巧妙地布置在叶片的关键位置，使得工作人员能够实时监测整体和特定部位的雷击情况。通过采用智能数据采集和传输技术，监测数据能够即时传输至中央处理系统，实现对风电机组雷击情况的全程实时监控[4]。

第三，借助大量试验数据，研究人员深入分析和优化了叶片雷击检测算法。引入了先进的信号处理和机器学习技术，进一步提升了检测系统的准确性和响应速度。此外，通过在多个风电场环境中进行实地试验和数据验证，充分验证了所提出的叶片雷击检测方法的高度实用性和准确性。在多次雷击模拟试验中，检测系统成功捕捉并记录了雷击事件，准确率超过了95%。这一全面而切实可行的解决方案为了确保工作人员可以及时响应雷击事件，为风电机组的安全性提供了可靠的技术保障。

2 研究方法

2.1 风电机组模型的建立

在研究中，研究人员精心构建了一套详尽的风电机组模型，涵盖了其主要组成部分，包括叶片、塔筒、发电机等关键组件。为了充分发挥其性能，研究人员选用了先进的50 m长的复合材料制造叶片，采用了三叶式设计，旨在最大程度地捕获风能并减少噪声产生。塔筒的高度达到80 m，采用高强度钢材焊接而成，其设计目的在于提供对叶片和发电机的牢固支撑，以确保整个机组的安全稳定运行。发电机则采用了5 MW额定功率的直驱式设计，旨在提供可靠、高效的电力输出。

在模型建立的同时，研究人员深入研究了雷电对风电机组的潜在影响。通过统计数据，发现所在地区的年平均雷电强度为20 kA；而在雷暴天气下，则可能升至50 kA。考虑到雷电频率，观察到每年平均有50 d

发生雷电活动，其中有10 d是强雷电活动，这进一步提高了机组受雷击的风险。此外，基于历史数据和气象记录，研究人员确定了雷电活动的主要方向为西北—东南方向，这种方向特点使得风电机组的特定区域，如叶片前缘、塔筒顶部，更容易受到雷击的影响。

这一全面而深入的模型构建不仅在整体结构和功能上考虑了关键组件的特性，而且深入研究了雷电因素对风电机组的影响。这套模型为后续的研究和分析提供了牢固的基础，研究人员能够更全面地理解风电机组在雷电环境下的行为和响应。

2.2 雷击暂态效应分析

在研究中，研究人员充分运用先进的数值模拟方法，深入探讨了风电机组叶片在雷击条件下的暂态响应，以更全面地了解雷击对叶片的影响机制。通过对不同雷电强度和方向的模拟，获得了叶片在雷击时的关键参数，如应力、变形随时间变化的详细情况。

具体而言，在雷电强度的分析中，研究人员明确观察到了雷电强度与叶片损伤程度之间存在正相关性。当雷电强度从20 kA增加到50 kA时，叶片的最大应力值增加了约30%。此外，对雷电方向进行的模拟还揭示了雷电从叶片前缘垂直击中时所带来的显著变形和应力响应。

研究人员还关注不同材料属性对叶片响应的影响，发现高强度复合材料叶片在一定程度上表现出良好的抗雷击性能。然而，在极端雷电条件下，仍存在潜在的损伤风险。这些详尽的数值模拟分析为深入了解雷击对风电机组叶片的影响提供了全面的视角，为未来的试验验证和科学防护措施的制定提供了坚实的理论基础。通过模拟得出的结果，研究人员能够更准确地评估叶片在雷击条件下的性能，为优化防护策略提供有力支持。

2.3 实地数据的采集与验证

研究人员通过在实际风电场环境中部署专业的雷击监测设备，成功进行了雷击监测，记录了多次雷电事件对风电机组的实际影响（表1）。

在某次雷暴天气中，研究人员观测到风电机组遭受了超过40 kA的雷电强度打击，导致叶片和塔筒的部分区域出现轻微的损伤。这些实地监测数据提供了珍贵的真实情况参考，有力地支持了数值模拟的实用性。随后，将实地采集到的数据与之前进行的数值模拟结果进行详细比对。结果表明，在相同雷电强度条件下，数值模拟所预测的叶片应力与实地监测数据呈现高度一致性，平均误差仅为5%。此外，对于叶片和塔筒的损伤程度，数值模拟与实地观测之间的差异主要集中在10%以内。这意味着数值模拟方法在模拟风电机组在雷电影响下的响应时表现出色，具有较高的准确性和可靠性。

综上所述，通过3种研究方法的有机结合，研究人员全面了解了风电机组在实际雷电环境中的行为和反应。实地数据采集和验证提供了实际案例支持，而对比分析则加强了对数值模拟准确性的参考。这些深入的研究成果为未来的风电机组防护设计、优化和维护提供了有力的科学基础。

3 雷击风险的分布特征

3.1 不同叶片区域的雷击风险的比较

在本研究中，通过对风电场历史数据的深入分析，研究人员细致研究了风电机组不同叶片区域的雷击风险。具体而言，叶片根部、中部和末端的雷击概率分别为25%、40%和20%（表2）。这些数据明确表明，受雷击影响最为显著的区域是叶片的中部。这一发现为在叶片设计和防护方面提供了重要的指导，强调了在中部区域加强雷击防护的紧迫性，并提示应当通过优化材料和形状等手段减少雷击的概率。

同时，对不同风向和风速下的雷击风险进行了详细对比。在东北风和西南风的风向条件下，叶片雷击的分布情况分别为60%和40%，说明东北风向更容易导致雷击事件。在不同风速条件下，雷击概率呈现出明显的差异。当风速达到25 m/s时，雷击概率上升至50%，而在15 m/s的风速下，雷击概率为30%。这强调了风速对雷击的敏感性，研究人员需要制定相应的风电机组运行策略，以降低在高风速条件下的雷击风险[5]。

总体而言，通过对雷击风险的全面比较和分析，深入了解了雷击在不同区域和气象条件下的影响特点。这为未来的风电机组设计、运行策略的制定以及防护措施的改进提供了有力的数据支持，旨在最大程度地减少雷击风险，确保风电机组的稳定高效运行。

3.2 外部因素对叶片雷击的影响

在研究中，深入探讨了外部因素对叶片雷击的影响，主要关注了气象条件和雷电频率2个方面的因素（表3）。首先，在气象条件对雷击的影响方面，发现在温度维持在25～30 ℃之间且相对湿度达到70%以上的情况下，雷击概率显著增加，可能性高达60%。此外，不同气象参数下雷击路径的比较表明在高湿度和温度条件下，雷击路径更倾向于集中在叶片的上部区域。这为风电场提供了明确的气象监测建议，强调了对温湿度等参数的实时监控的重要性，以更好地预测和规避潜在的雷击风险。

根据表4可知，在雷电频率与叶片雷击的关联分析方面，通过对近五年气象数据的计算，得出风电场附近的雷电频率每年约为200次。进一步研究发现，每增加10次雷电频率，叶片雷击事件的发生率可能增加2.5%。而在评估雷电频率对整个风电场的影响时，发现当雷电频率高于平均水平时，风电场的设备故障率增加了20%。这说明雷电频率对风电场维护和管理的关键影响，提示相关部门需要加强预防措施和定期检查，以确保风电机组的正常运行。

通过深入的分析，研究人员不仅对外部因素对叶片雷击的影响机制有了全面了解，而且为相关部门制定更为精准的防护策略，提高风电机组的整体安全性提供了重要的数据支持和科学建议。

3.3 风电场一年时间类风机各组件的损坏情况

风电场在一年的时间内，经历了不同组件的损坏事件，其中包括雷击导致的风叶损坏和其他原因导致的各组件损坏（表5）。由表5可知，雷击导致的叶片损坏占总叶片损坏的70%，而在其他组件中，雷击导致的损坏占总其他组件损坏的33.3%。

4 结束语

防护设计建议、叶片雷击检测方法，以及对外部因素的分析为提高风电机组的整体安全性和稳定性提供了具体可行的技术支持。研究人员全面探讨了风电机组叶片雷击风险的分布特征，为制定科学的防护策略提供了重要的数据支持。期待这些研究成果可以对未来风电行业的可持续发展和安全运行起到积极的推动作用。

参考文献

[1] 陶家元，郑雪娜，曹强，等.山区风电机组雷电防护技术发展综述[J].价值工程，2023，42（4）：163-165.

[2] 顾建伟，陈维江，黄胜鑫，等.风电机组叶片雷击风险分布特征[J].中国电机工程学报，2023，43（9）：3651-3664.

[3] Glushakow B.风电机组叶片、电子器件及人员防雷研究[J].风能，2018（12）：60-65.

[4] 武宁，马贵东.风力发电机组雷电防护技术[J].硅谷，2012 （12）：37-38.

[5] 曾明伍，赵萍，钟贤和，等.风电叶片的防雷技术及应用[J].东方汽轮机，2012（1）：13-19.

作者简介：何小玲（1984—），女，广东韶关人，助理工程师，研究方向为雷电防御。