雷電導(dǎo)流條在風(fēng)力發(fā)電葉片防雷改造中的應(yīng)用

黃有慧，易 華，楊瑞志

(東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

在我國(guó)的西南、東南沿海地域，雷暴等自然災(zāi)害出現(xiàn)的頻率越來(lái)越高[1]。伴隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的容積不斷加大，雷電對(duì)機(jī)組的損耗也越來(lái)越大。現(xiàn)階段風(fēng)電機(jī)組的止損防雷問(wèn)題已經(jīng)引起了業(yè)主、主機(jī)廠、葉片生產(chǎn)商等有關(guān)單位的關(guān)注。根據(jù)各零件損耗等級(jí)來(lái)分類，可知風(fēng)力發(fā)電葉片雷擊損耗是眾多損耗中最為嚴(yán)重的，其后果為嚴(yán)重的風(fēng)力發(fā)電葉片穿孔、風(fēng)力發(fā)電葉片開(kāi)裂，甚至造成風(fēng)力發(fā)電葉片的斷裂?，F(xiàn)有研究成果顯示，假設(shè)風(fēng)力發(fā)電葉片裝置雷電導(dǎo)流條，那么雷電對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片的損耗將減少，同時(shí)能增加風(fēng)力發(fā)電葉片對(duì)雷電的防治能力[2]。

1 雷電導(dǎo)流條簡(jiǎn)析

雷電導(dǎo)流條是將雷電安全導(dǎo)入地下的能量轉(zhuǎn)換裝置。雷電導(dǎo)流器的概念最早出現(xiàn)于 1752年，出自富蘭克林所創(chuàng)造的避雷針，后傳入中國(guó)，廣泛應(yīng)用于飛行器的雷電防御[3]。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析，雷電導(dǎo)流器是由系統(tǒng)的、超薄的、具有導(dǎo)電性能的金屬片用絕緣材料連接構(gòu)成，其細(xì)節(jié)處的粘接是由復(fù)合型材料完成。雷電導(dǎo)流條的工作原理如圖1所示。通常情況下超薄金屬片之間的連接常有縫隙，所以導(dǎo)致出現(xiàn)斷電狀態(tài)，雷電導(dǎo)流條是絕緣體，單獨(dú)的超薄金屬片不會(huì)產(chǎn)生電流；但是當(dāng)雷暴肆虐時(shí)，兩個(gè)臨近的超薄金屬片的兩端就會(huì)產(chǎn)生巨額電荷，從而形成羽毛狀電弧，電壓達(dá)到峰值的時(shí)候，電荷將會(huì)穿過(guò)金屬片之間的空氣，制造電離通道，接下來(lái)由雷暴產(chǎn)生的巨額電流就可以通過(guò)此通道被引導(dǎo)到地下。

圖1 導(dǎo)流條工作原理Fig.1Working principle diagram of lightning guide bar

2 導(dǎo)流條接閃特性仿真分析

風(fēng)力發(fā)電葉片的防雷系統(tǒng)通過(guò)已經(jīng)安裝完畢的風(fēng)力發(fā)電葉片上的接閃器來(lái)傳導(dǎo)雷電電流，從而達(dá)成定點(diǎn)引雷的目的。由于接閃器是由金屬材料構(gòu)成的接地導(dǎo)電儀器，雷云的出現(xiàn)一般會(huì)造成高壓環(huán)境，很大程度上會(huì)發(fā)生上行先導(dǎo)與雷電下行先導(dǎo)的并行接觸，從而將雷電電流傳導(dǎo)于該位置。對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行雷電電流依附仿真實(shí)驗(yàn)分析，在仿真軟件中對(duì)葉尖上的防雷模型進(jìn)行 3D建模，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果開(kāi)展雷擊依附簡(jiǎn)析。因接閃器和導(dǎo)流線都是金屬制成，都有可能引發(fā)上行先導(dǎo)，故實(shí)驗(yàn)需要建立在符合風(fēng)力發(fā)電葉片設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上。

風(fēng)力發(fā)電葉片的葉尖部分用來(lái)接引下線，導(dǎo)致葉尖部分周邊環(huán)境的電勢(shì)降低，較易把雷電電流傳導(dǎo)至風(fēng)力發(fā)電葉片的葉尖部分，但葉尖部分的防范能力是有限的。風(fēng)力發(fā)電葉片裝備雷電導(dǎo)流條之后，從仿真實(shí)驗(yàn)可以觀察到，除風(fēng)力發(fā)電葉片的葉尖部分外，雷電導(dǎo)流條所在區(qū)域的電勢(shì)差有所降低，較易變成雷擊依附點(diǎn)，因而加大了風(fēng)力發(fā)電葉片防治雷電的區(qū)域。需要注意的是，風(fēng)力發(fā)電葉片的下引線的電勢(shì)同樣是很低的，表明這片區(qū)域的上行先導(dǎo)的發(fā)生率升高[4]。另外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)被雷擊中的風(fēng)力發(fā)電葉片的損耗程度以及對(duì)被雷擊中的組織結(jié)構(gòu)解剖分析，確認(rèn)雷電只是打穿風(fēng)力發(fā)電葉片表面部分的鋼化玻璃結(jié)構(gòu)，再一次擊中其下引線。所以在安裝雷電導(dǎo)流條的時(shí)候，應(yīng)該達(dá)到該組織對(duì)雷電防治的標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)該在風(fēng)力發(fā)電葉片與其下引線之間的部分安裝雷電導(dǎo)流條，使雷電導(dǎo)流條能夠造成更低的電勢(shì)差區(qū)域，才利于雷電導(dǎo)流條接閃。

3 導(dǎo)流條接閃特性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證雷電導(dǎo)流條對(duì)于風(fēng)力發(fā)電葉片的雷電防治功能的提高程度，采取 IEC 61400—24條例里的“雷電實(shí)驗(yàn)”來(lái)驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電葉片高壓依附點(diǎn)的接閃能力。

首先針對(duì)無(wú)粘貼關(guān)系的雷電導(dǎo)流條開(kāi)展雷電試驗(yàn)，根據(jù)條例要求先進(jìn)行 54次雷擊實(shí)驗(yàn)，依次將風(fēng)力發(fā)電葉片以 90°、60°的角度連接接閃器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果接閃器成功運(yùn)作[5]；當(dāng)以 30°的角度對(duì)高壓平板電擊時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，繼續(xù)以同樣的角度連續(xù)試驗(yàn)2次，結(jié)果均顯示有擊穿現(xiàn)象。這說(shuō)明風(fēng)力發(fā)電葉片在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中處于這個(gè)角度較易出現(xiàn)雷擊損耗風(fēng)險(xiǎn)，而且還存在二次傷害的可能性。

在已經(jīng)被雷擊穿的風(fēng)力發(fā)電葉片上安裝雷電導(dǎo)流條，繼續(xù)進(jìn)行雷擊試驗(yàn)，直接以 30°的姿態(tài)進(jìn)行測(cè)試接閃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果接閃成功，在 5°～10°同樣成功接閃。由此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，風(fēng)力發(fā)電葉片在安裝了雷電導(dǎo)流器之后，其自身的雷電防護(hù)系統(tǒng)的性能得到大幅提升。