风电叶片雷电防护导流条

发布日期:2016.08.23

1. 概述

        风能是一种可再生资源,风力发电具有容量大、无污染和综合治理成本较低等优点,其开发和利用受到世界各国越来越多的关注。目前我国风电装机数量已经达到9万余台,容量超过1.4亿千瓦,而且以每年超过1万台的速度增长。据预测,到2020年中国风电装机容量有望达到3亿千瓦左右,目前各国正加快对风力发电机组的研究步伐,不断推出新的技术和装备。

        雷电是一种常见的自然现象,全球每秒有30~100次闪电发生,一天之内,闪电次数可达到900万次。雷电具有非常高的能量,一次闪电的电压最高能达到10亿伏,电流超过20万安培,内部温度达到2万度,是太阳表面温度的3~5倍,如果被闪电击中,便会造成非常严重的破坏。

        风场一般都建在高山或者开阔的平原地带,因此非常容易遭受雷击,尤其是风电叶片,属于最容易经雷击而损坏的部位,图1为遭受雷击的叶片,叶片遭受雷击后的维修费用非常昂贵,一次雷击会造成非常严重的损失。目前国内对于叶片的雷电防护还处于起步阶段,国内使用最多的还是铝叶尖和叶身接闪器系统,但是防护效果比较有限。


       

图1 遭受雷击的叶片


       2.雷电导流条

        雷电导流条,又叫雷电分流条或者接闪带,是一种能够接闪雷电并传导雷电流的长条状装置。雷电导流条最早应用在飞机雷达罩上面,雷达罩属于非金属复合材料,并且非常容易遭受雷击,因此世界各国都非常重视雷达罩雷电防护工作。图2为安装导流条的飞机雷达罩。


     

图2 安装雷电导流条的飞机雷达罩

       在种类众多的导流条中,应用最广泛、性能最优、最有前景的是片段式雷电导流条。片段式导流条由一系列薄的导电金属片,用阻性材料互相连接,紧固于复合基带上组成,具体结构如图3所示。


图3 片段式雷电导流条的基本结构

       片段式雷电导流条的工作原理如图4所示。在正常情况下,由于金属片段之间存在间隙,导电通道处于断开状态,整个导流条属于绝缘体;当遭遇雷击时,相邻金属片段两端开始聚集大量电荷,并产生羽毛状的电弧,当电压达到一定值时,金属片段便会击穿上方空气,形成电离通道,雷电流可以经过此通道,传导到引下线,具体如图5所示。由于雷电流是从导流条上方的空气电离通道传导,并不经过导流条本身,因此不会对导流条自身造成破坏,同时也避免大电流对叶片表面造成损伤。


 

图4 片段式雷电导流条的工作原理



     

图5导流击穿前(a)和击穿时(b)的照片

       3.导流条在叶片上的应用

        风电叶片材料与雷达罩相似,并且有着相同的雷电防护需求,因此使用导流条进行叶片雷电防护,受到了越来越多厂家的重视。在叶片表面粘接雷电导流条,可以有效增加叶片对雷电的接闪范围,当雷电来临时,导流条上的金属片会优先产生上行先导,去迎合雷电的下行先导形成导电通路,此时导流条在雷电高压下已经形成空气电离通道,因此雷电流可以通过导流条传导至引下线系统,从而避免叶片遭受雷击而发生损坏。

        爱邦电磁在叶片防护雷电导流条研究上进行了大量研究工作,公司对导流条的防雷性能、环境老化性、方案布置、粘接工艺等方面进行了系统研究,同时根据不同风场的实际需求,开发出一系列适用于各种场合的雷电导流条,并且已经在多个风场获得应用,图7为安装爱邦公司雷电导流条的风电叶片。


     

图7安装爱邦公司雷电导流条的叶片

       4. 总结与展望

       叶片雷电防护是整个风电行业的一个难点,雷电导流条的出现,给叶片防雷带来新的方法,多个风场的实际使用经验表明,使用雷电导流条,能有效解决叶片遭雷击问题,大大减小业主和厂商的损失,但是风电行业有自身的特殊性,风场一般都建立在自然环境比较恶劣的地方,并且叶片设计寿命长达20年,单纯将飞机领域的导流条移植到风电领域,是非常不明智的,应在飞机雷电防护导流条的基础上,根据风电行业的特点,对导流条进行适当结构改进和性能调整,使其满足风电行业的特殊需求,这样才能保证导流条对叶片进行持久、安全的防护。


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