风轮叶片雷击损伤分析及防护设计优化

发布日期:2016.07.19

前言  风轮叶片是风力发电机组中最容易遭受雷击的部件,提高叶片的雷电防护效果是保证风力发电机组连续稳定运行的因素之一。参考相应的标准,并根据实际情况,对叶片雷击损伤因素进行了分析,提出了一些可提高叶片的雷电防护效果的优化设计思路与方法。 

关键词  风力发电;风轮叶片;雷电防护 

0 引言 

风能是清洁能源中最具商业价值的能源,是可再生能源领域里重要一员。目前,风力发电机组的装机量越来越大,与之配套的叶片防雷技术也在发展,叶片雷电防护性能会影响风力发电机组的可靠运行。随着风力发电机组高度和叶片长度的增加,雷击风力发电机组和叶片的概率也会增长。风轮叶片是风力发电机组中最容易遭受雷击的部件,其良好的防雷性能是保证风力发电机组连续稳定运行的决定因素。 

1 风力发电机组遭受雷击现状 

风电机组一般都设置在地理位置较高的区域,由于周围缺少其他高大物体,因此它更容易吸引雷电。另外,随着风场的开发,雷暴日较少的风场其装机已接近饱和,很多机组会安装在雷暴条件比较恶劣的地区。 

从叶片雷击的损伤位置来看,叶片尖部区域更容易遭受雷击,从叶片切面来区分的话,后缘比前缘更容易遭受雷击。 

从叶片受雷击的损坏程度来看,接闪器的损伤是最容易修复的;考虑叶尖区域的受力和结构特性,该区域的壳体损伤也相对容易修复;如果在叶片中部,雷击造成了引下线的损伤,就比较难修复了;更严重的雷击则会造成叶片大范围的

损伤,甚至可能需要更换整支叶片。  

2 叶片防雷方式简介 

叶片雷电防护的机理为接闪器定点引雷接闪、引下线导流。现代风轮叶片的防雷系统主要由叶尖接闪器、叶身接闪器、引下线系统组成。发生雷击时通过接闪器接闪,然后通过叶片引下线系统传导至主机引下线系统,最后将雷电导入大地。该方案是叶片防雷最通用的一种方法,其效果也得到了实际运行的验证。  

3 叶片防雷设计参考 

可用于指导叶片进行防雷设计和验证的标准主要有IEC61400-24和GL规范。 

关于叶片上应该布置的接闪器数量,GL规范中给出了相关的建议,根据最新版的规范,建议的接闪器数量如下: 

 a) 叶片长度L<20m:叶尖端接闪器1个。 

 b) 叶片长度20m≤L<30m:叶尖端接闪器1个,压力侧接闪器1个,吸力侧接闪器1个,与叶尖端有一定距离处。 

 c) 叶片长度30m≤L<45m:叶尖端接闪器1个,压力侧接闪器2个,吸力侧接闪器2个,分布在转动的叶片上。 

 d) 叶片长度L≥45m:叶尖端接闪器1个,压力侧接闪器3个,吸力侧接闪器3个,分布在转动的叶片上。[1]  

在IEC61400-24中给出了建议的接闪器规格和引下线的规格,并对叶片雷击试验给出了指导性意见。建议通过高压和大电流试验来验证接闪器系统和雷电引下线是否能够拦截雷击并传导雷电流。[2]  

4 叶尖容易遭受雷击的一些因素 

由于叶片的尖部更容易遭受雷击,有必要对该问题进行分析,如果能够有效的解决叶尖雷击的问题,那么叶片的防雷问题可以得到很大的改善。 

1)风轮叶片的位置 

风力发电机组所在地的地势比较高,叶片尖部更是风机运行中的最高位置,因此叶片尖部是最容易遭受雷击的部位。 

2)叶片结构及引下线布置 

叶片引下线布置在叶片内腔,它的位置和叶片壳体的绝缘性能都能影响到叶片表面的电场分布。叶片壳体绝缘性能下降,会造成雷电到引下线的击穿电压变小,使雷电越来越容易击穿叶片表面,直接击中到引下线。 

 a) 从叶片根部向叶片尖部,叶片截面变得越来越小,这样,引下线到叶片表面的距离也越来越短,两者之间的击穿电压也变的越来越小了。 

 b) 叶片引下线在未到达叶片尖部时,一般会布置在腹板的中心位置,该位置距离叶片外表面都是空间最远。从结构上来看,叶片腹板会在距离叶片尖部1-3米的位置截止,引下线到达叶片尖部时,可能会直接布置到壳体上,这就减小了导线与壳体外表面的距离,从而使引下线与贴合侧壳体的击穿电压变小。 

 c) 从叶片结构设计来看,从叶片根部到尖部,叶片载荷逐渐变小,从结构上来讲,叶片尖部可以使用相对少的力学结构材料。因此,叶片尖部使用的玻纤和芯材同叶片根部相比,都越来越薄。从叶片形状上来看,叶片尖部是空间最小的地方,也不能够容纳较厚的材料。玻璃纤维和芯材都具有一定的电绝缘特性,材料变薄,也意味着绝缘性能的相对下降。叶片在雷击时可能处于旋转状态,雷电可能在接闪器附近发生表面闪络,如果闪络路径上叶片壳体存在绝缘上的薄弱环节,就有可能造成叶片的击穿。  

3)环境因素的影响 

闪电发生时,经常伴随着雷雨天气,叶片表面被水膜覆盖,容易形成连续的导电层,这种情况下叶片表面的闪络电压的下降非常严重。叶片尖部设计有排水孔,在运行过程中,叶尖内腔的水会通过叶尖的排水孔甩出,因此叶尖内腔也处于一个相对潮湿的环境。 

随着机组的运行,叶片表面容易附着污染物。另外,叶片在运行时,尖部的线速度最快,也最容易形成表面磨损,更容易在叶片表面附着污浊。叶片表面的污浊,会进一步增强该区域的导电能力。 

从形状上来看,叶片后缘是一个尖形的状态,结合潮湿状态和表面污染,就容易形成电场畸变,从而让雷电更容易在这个位置发生。 

4)叶尖配重金属体的影响 

通常在叶片的尖部都有一个配重盒,如果三支叶片的力矩不平衡,可以通过在里面填加配重的方式来保证平衡。 

配重多采用金属材料,比如铅、铁等密度较大的材料。如果采用了类似的金属部件,就容易对该区域的电场产生影响。  

5 提高叶片防雷系统的可靠性 

对叶片防雷系统进行优化设计,在制造环节采用可靠的工艺,消除叶片防雷系统存在的薄弱环节,将会改善叶片的雷电防护性能。 

1)防雷系统的尖端放电 

雷击比较容易发生在存在尖端的金属部件位置,所以为了有效的将雷电吸引到指定位置,接闪器的设计要充分利用尖端放电原理,在希望接闪的位置设计相应的尖端。同时对于防雷系统的其它部件要尽量的规避尖端放电,圆滑过渡。 

2)有效的电气连接 

在设定了合理的接闪器布局和引下线的位置后,雷击附着点可能会得到控制,保证叶片的雷击是发生在预先设定的接闪器上。这可以用高电压附着试验来进行验证。 

另外考虑雷击是一个电流源,需要考核防雷系统是否可以承担200KA雷击电流的通过。IEC61400中规定了接闪器和引下线的相应规格,可以承担相应的电流通过。但是在实际的操作中,要考虑引下线和接闪器之间的连接问题。 

防雷系统中有电流通过时,将会产生热效应,如果因为某个接触位置的电阻过大,该位置可能产生烧蚀损伤。 

所以为了尽可能的使防雷系统可靠,每一个防雷连接点都需要保证其可靠连接。比如,设计阶段,防雷通道使用端面传导的方式。在施工阶段,联接端面上可以进行清理工作,去除氧化层和污物的附着之后在连接端面使用导电膏。 

从另一个角度来看,如果整个防雷系统是一体结构,接触点的数量就能减少,当然这需要从设计、施工工艺、经济成本等方面进行综合的考虑。 

3)叶尖接闪器的设计 

常规来看,叶片在其尖部设计成金属结构作为叶尖接闪器,该接闪器可有效

的对叶片进行雷电防护。 

从实际的雷击统计情况来看,叶片尖部6米范围内的区域更容易遭受雷击。相对而言,叶片的后缘比前缘更容易遭受雷击。而实际的接闪器布置,一些在叶片叶尖向叶根方向上的5米范围内没有布置相应的接闪器。因此需要考虑在叶片尖部布置更多接闪器,并且要考虑叶尖前缘位置和后缘位置遭受雷击的可能。 

4)引下线的布置 

引下线的布置会影响到雷击时的电场分布,雷电会寻找最容易击穿的位置进行放电。因此在降低接闪器击穿电压的同时,需要考虑增加引下线的击穿电压。 

将引下线的布置在腹板中心位置,可以尽量的增加引下线到壳体的距离,该措施可以有效的增加雷电击中引下线的击穿电压。从弦向的角度来看,引下线适宜布置到腹板内侧(前缘腹板的后缘侧或后缘腹板的前缘侧),考虑实际的应用,建议布置到后缘腹板的前缘侧。 

5)叶片防雷系统的绝缘设计 

改变叶片防雷系统的绝缘特性会对电场在叶片表面的分布产生影响,在进行叶片结构设计和防雷系统设计时考虑增加电气绝缘设计,这会改善叶片的雷电防护性能。 

具体操作上可以在叶片本体、引下线、接闪器和防雷附件上进行相应的绝缘设计,消除绝缘薄弱环节,引导雷电尽可能发生在裸露的接闪器上。  

6 叶片雷电防护的新技术 

随着风力发电技术的发展,风力发电机组的雷电防护技术也得到了相应的发展。 

1)金属网的应用 

一些叶片采用了碳纤维材料,该种材料强度比玻璃纤维更高,但是雷电流可能在该材料上传导,从而造成叶片结构的损伤。为了规避该问题,在碳纤维材料上布置防雷金属网来传导雷电流。 

考虑该技术在碳纤维材料上的应用,可以试验在玻璃纤维叶片上采用该技术,以提供更好的雷电防护能力。 

2)分段式导流条的应用 

分段式导流条最早被应用在航空设备上,根据实际的试验,该产品既能有效的传导雷电流,也可以作为接闪器来承受雷击。 

对于风电叶片来讲,可以将该产品布置在接闪器附近,以提高接闪器拦截雷电的范围,该技术已经得到相应的验证。 

随着叶片的运行,引下线可能遭受雷击损伤,由于该产品可以有效的传导雷电流,也可以将其作为引下线布置在叶片表面,使引下线的修复在操作上更加简单;由于导流条布置在叶片表面,该方案同时也会增强叶片的雷电防护性能。  

7 结论 

风轮叶片的雷电防护效果是保证风力发电机组连续稳定运行的决定因素。本文从风力发电机组遭受雷击现状、叶片防雷方式简介、叶片防雷设计参考、叶尖容易遭受雷击的一些因素、提高叶片防雷系统的可靠性、叶片雷电防护的新技术等方面进行了阐述,提出了提高风轮叶片雷电防护性能的的建议。 

参考文献 

[1]  德国船级社Guideline for the Certification of Wind Turbines Brooktrokai 18,20457[M]. Germany,2010  

[2]   IEC61400-24-2010  Wind turbines–Part 24: Lightning protection 


本文版权为西安爱邦电磁技术有限责任公司(www.airborne-em.com所有,如需转载,请注明出处。以上内容,如有疑问或不当之处,欢迎致函info@airborne-em.com!



分享到微信朋友圈
打开微信,点击底部的“发现”,
使用“扫一扫”即可关注微信公众号。
X