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      葉片防雷技術(shù)

      2010-08-15 00:52:53關(guān)
      科技傳播 2010年15期
      關(guān)鍵詞:葉尖發(fā)電機(jī)組風(fēng)力

      關(guān) 鵬

      沈陽金祥電能設(shè)備有限公司,遼寧沈陽 110186

      葉片防雷技術(shù)

      關(guān) 鵬

      沈陽金祥電能設(shè)備有限公司,遼寧沈陽 110186

      目前世界新能源市場上以風(fēng)力發(fā)電作為主要發(fā)展方向,而其中葉片的防雷技術(shù)是確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全性的關(guān)鍵因素,現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所采用的葉片防雷技術(shù)為其安全運(yùn)行提供了保障。

      葉片防雷;防雷技術(shù);新能源

      0 引言

      風(fēng)能是世界上清潔能源利用中最具商業(yè)價(jià)值的能源,是未來可再生能源領(lǐng)域里重要一員。目前,風(fēng)力發(fā)電的商業(yè)化發(fā)展如火如荼,與之相配套的葉片防雷技術(shù)的發(fā)展也十分迅速。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠性中最關(guān)鍵的一個(gè)問題是葉片防雷技術(shù),隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高度和發(fā)電功率的增加,雷擊風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的概率也會成正比增長。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最危險(xiǎn)的部件是風(fēng)輪葉片。因此,其良好的防雷設(shè)計(jì)是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素。

      1 國內(nèi)目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭受雷擊現(xiàn)狀

      我國當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組都設(shè)置在風(fēng)力強(qiáng)大的地區(qū),并且設(shè)置在高于周圍地區(qū)的制高點(diǎn)上,由于周圍缺少其他高大物體,因此它更容易被雷電吸引。據(jù)統(tǒng)計(jì),每100臺風(fēng)力機(jī),一年雷擊故障多達(dá)14次。7%~10%的雷擊都將造成葉片的損壞。相比較其他因素導(dǎo)致的故障,雷擊所造成的故障將造成40%多的能量損失,停機(jī)時(shí)間也因此增加20%多。其中葉片的損毀是最昂貴的損壞。據(jù)估計(jì),全世界每年遭受到雷電襲擊的風(fēng)輪葉片占其總量的1%~2%。從葉片受雷擊的損壞部位看,多數(shù)情況發(fā)生在葉尖是比較容易被修補(bǔ)的,但少數(shù)情況則會造成整個(gè)葉片無法使用,需要更換。雷擊風(fēng)機(jī)往往會造成風(fēng)機(jī)電系統(tǒng)的過電壓,造成風(fēng)機(jī)各種化控制系統(tǒng)和通信元件的燒毀、發(fā)電機(jī)被擊穿、電氣設(shè)備損壞等嚴(yán)重事故。所以,雷害是威脅風(fēng)機(jī)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的嚴(yán)重問題。

      2 雷電產(chǎn)生的機(jī)理

      風(fēng)力發(fā)電特點(diǎn):風(fēng)機(jī)分布安置多在比較空曠的地區(qū),大型風(fēng)機(jī)葉片最高點(diǎn)(轉(zhuǎn)子半徑加輪轂中心高度)達(dá)75~105m,極易遭受雷擊。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電氣絕緣性能較低(發(fā)電機(jī)電壓690 V、并采用大量通信及自動化控制元器件)。因此,相比較常規(guī)發(fā)電機(jī)組,其防雷性能的環(huán)境要惡劣許多。

      雷擊可以被認(rèn)為是一個(gè)強(qiáng)電流源。目前有記載的單次雷擊電流最大值超過了30萬安培。在世界范圍,這樣的大電流雷擊發(fā)生的概率極小。中等量值的雷電流峰值大約為3萬安培。此外,雷閃的類型及風(fēng)機(jī)所處地理位置而變化對雷擊的電氣特性有較大影響。沿著同一電離路徑的整個(gè)放電過程稱為閃電,其持續(xù)時(shí)間可以達(dá)到1s以上??罩械膲m埃、冰晶等物質(zhì)在大氣運(yùn)動中劇烈摩擦生電以及云塊切割磁力線,在云層上下層分別形成了帶正負(fù)電荷的帶電中心,運(yùn)動過程中當(dāng)異性帶電中心之間的空氣被其強(qiáng)大的電場擊穿時(shí),就形成放電。云地放電是對風(fēng)電場運(yùn)行帶來的主要危害,地面上的凸起物、金屬等,會與向下接近地面帶負(fù)電荷的云層感應(yīng)產(chǎn)生出正電荷,形成逐步增強(qiáng)的電場,雷云產(chǎn)生向下的下行先導(dǎo),地面突起物體形成向上閃流,二者之間產(chǎn)生的電位差達(dá)到一定程度時(shí),即發(fā)生猛烈對地放電。山頂、高于地面的物體、高大建筑物頂部和風(fēng)力機(jī)的葉片等處,電場的能量足以強(qiáng)到導(dǎo)致地面與雷云之間發(fā)生的向上運(yùn)動的先導(dǎo)。高度超出地表面100m的現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,明顯地暴露在向上閃擊中。雷擊的破壞作用主要是:電效應(yīng)破壞、熱效應(yīng)破壞和機(jī)械效應(yīng)破壞。

      3 雷電的主要特點(diǎn)

      1)沖擊電流大:其電流高達(dá)幾萬到幾十萬安培;

      2)時(shí)間短:雷擊分為三個(gè)階段,即先導(dǎo)放電、主放電、余光放電,整個(gè)過程一般不會超過60μs;

      3)雷電流變化梯度大:雷電流變化梯度大,有的可達(dá)10kA/μs;

      4)沖擊電壓高強(qiáng)大的電流產(chǎn)生的交變磁場,其感應(yīng)電壓可高達(dá)上億伏。通常雷擊有3種形式:直擊雷、感應(yīng)雷、球形雷。

      4 葉片損壞現(xiàn)象和機(jī)理

      雷擊點(diǎn)出現(xiàn)的典型損壞是:

      1)雷擊將導(dǎo)致葉片的玻璃纖維斷裂,內(nèi)部的導(dǎo)電部件燒毀或熔化;

      2)葉片內(nèi)部將產(chǎn)生由于雷擊形成的電??;

      3)雷擊導(dǎo)致葉尖和導(dǎo)電部件之間形成電?。?/p>

      4)雷擊電流產(chǎn)生的電弧,將導(dǎo)致葉片玻璃纖維夾層之間的水蒸氣,在迅速加熱的情況下爆裂引起壓力沖擊葉片。

      5 葉片防雷方案的關(guān)鍵——葉片接閃器

      現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組采用國際先進(jìn)的葉片防雷技術(shù),據(jù)相關(guān)試驗(yàn)表明,葉尖是雷擊的多發(fā)部位,而相對較弱的雷擊則多集中在葉片的較下方。葉片接閃器的面積較小,可能導(dǎo)致雷擊發(fā)生在葉片表面也不被接閃器接收。雷擊分為正極性雷電和負(fù)極性雷電,前者容易擊中葉片表面,后者容易擊中接閃器。雷擊電流通過葉片接閃器及其導(dǎo)體迅速通暢地經(jīng)過葉片和機(jī)艙傳引入大地。

      國外葉片防雷技術(shù)的研究已經(jīng)開展多年,各國雷電專家、風(fēng)機(jī)及葉片制造、保險(xiǎn)業(yè)、風(fēng)電場和商業(yè)組織在內(nèi),都針對風(fēng)機(jī)防雷的做出了大量工作,為避免雷擊導(dǎo)致葉片的損壞,開發(fā)經(jīng)濟(jì)安全耐用的防雷葉片。研究人員在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行一系列的仿真測試,驗(yàn)證葉片結(jié)構(gòu)特性和雷擊安全性之間的聯(lián)系。研究表明:無論葉片的材料是木頭還是玻璃纖維,或是葉片貫穿導(dǎo)電體,葉片的型式才是導(dǎo)致雷擊損壞范圍的決定因素。即使葉片全部采用絕緣材料也無法減少被雷擊的危險(xiǎn),相反還會增加損壞的次數(shù)。研究還表明:葉尖背面是發(fā)生雷擊的主要區(qū)域。裝在葉尖的接閃器更有利于捕捉雷擊,再利用葉片內(nèi)部導(dǎo)體將電流引入大地,該設(shè)計(jì)簡單、經(jīng)濟(jì)且非常耐用,起到引導(dǎo)電流,保護(hù)葉片的作用?,F(xiàn)在風(fēng)機(jī)葉片的防雷,是按照IEC1024-1的Ⅰ級保護(hù)水平設(shè)計(jì),并通過有關(guān)型式認(rèn)證。因此,大大改善了葉片遭受雷擊破壞的可能性。如果接閃器或?qū)щ姴考枰鼡Q,也只是機(jī)械性的更換。

      6 結(jié)論

      兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為我國陸地風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流型號,在為獲得最大風(fēng)能的同時(shí),又保證雷擊條件下機(jī)組及重要部件的安全性,葉片所采用的此種防雷技術(shù)無疑具有更先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢。該技術(shù)的應(yīng)用,提高了國產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組同行業(yè)內(nèi)的競爭實(shí)力,為進(jìn)軍國際市場贏得了主動。

      [1]施鵬飛.我國風(fēng)電場將進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展時(shí)期[D].20 世紀(jì)太 陽能新技術(shù)(2003 年中國太陽能學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集).上海:上海 交通大學(xué)出版社,2003.

      [2]葉枝全,黃繼雄,陳嚴(yán),等.風(fēng)力機(jī)新系列翼型的氣動性 能研究[J].太陽能學(xué)報(bào),2002(2).

      [3]董永祺,熊學(xué)斌.國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)FRP 葉片一瞥[J].風(fēng)力 發(fā)電,2001(4):50-52.

      TM315

      A

      1674-6708(2010)24-0146-02

      關(guān)鵬,工程師,工作單位:沈陽金祥電能設(shè)備有限公司,研究方向:風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

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