風(fēng)電機(jī)組葉片雷擊風(fēng)險(xiǎn)分布特征分析

摘 要：隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組的安全性和可靠性日益受到關(guān)注。雷擊是風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中常見的自然災(zāi)害。闡述了幾點(diǎn)防護(hù)建議，包括采用高抗雷性材料、優(yōu)化葉片形狀及使用有效的防雷涂層，介紹了幾種雷擊風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)方法，通過建立風(fēng)電機(jī)組模型、分析雷擊暫態(tài)效應(yīng)、采集與驗(yàn)證實(shí)地?cái)?shù)據(jù)的研究方法，分析了風(fēng)電機(jī)組葉片雷擊風(fēng)險(xiǎn)分布特征，以期深入研究風(fēng)電機(jī)組葉片雷擊風(fēng)險(xiǎn)的分布特征。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組葉片；雷擊風(fēng)險(xiǎn)；分布特征；雷擊暫態(tài)效應(yīng)

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）05–0-03

雷擊風(fēng)險(xiǎn)作為一項(xiàng)重要的安全隱患，直接影響著風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性[1]。為了深入了解葉片雷擊風(fēng)險(xiǎn)的分布特征，開展了多方面的研究，通過綜合運(yùn)用數(shù)值模擬、實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集與驗(yàn)證，以及外部因素分析的方法，深入研究了風(fēng)電機(jī)組葉片雷擊風(fēng)險(xiǎn)的分布特征，旨在為風(fēng)電行業(yè)提供科學(xué)的防護(hù)策略和運(yùn)維指南。

1 防護(hù)設(shè)計(jì)與檢測(cè)方法

1.1 針對(duì)葉片雷擊防護(hù)設(shè)計(jì)的建議

第一，在材料選擇方面，推薦采用具有較高抗雷性的材料，如碳纖維復(fù)合材料、特殊合金等，以提高葉片的整體抗雷性。這些材料不僅具有良好的電導(dǎo)率，還能有效地分散雷擊造成的能量，降低損害風(fēng)險(xiǎn)。通過優(yōu)化葉片的形狀設(shè)計(jì)，如增加弧度、加寬尖端，也可以減少雷擊的集中攻擊點(diǎn)，從而進(jìn)一步提高葉片的抗雷性[2]。

第二，針對(duì)葉片表面的防雷涂層，建議選擇具備良好導(dǎo)電性和高耐久性的材料，以確保在長期使用過程中該涂層依然能夠發(fā)揮有效作用。通過試驗(yàn)證明，這種防雷涂層具有顯著的效果，尤其在模擬不同氣象條件下的雷擊場(chǎng)景中。經(jīng)過涂層處理的葉片在雷擊后的損傷程度降低了40%，這一結(jié)果明顯低于未經(jīng)處理涂層的損傷水平，證明防雷涂層對(duì)葉片的保護(hù)具有顯著效果。這項(xiàng)建議不僅注重了防雷涂層材料的選擇，還通過試驗(yàn)證實(shí)了其在模擬雷擊場(chǎng)景中的實(shí)際效果，為進(jìn)一步優(yōu)化葉片保護(hù)方案提供了重要的參考依據(jù)，確保葉片能夠在雷擊事件中得到充分的保護(hù)，從而維護(hù)整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

上述綜合措施的實(shí)施旨在降低風(fēng)電機(jī)組葉片受雷擊風(fēng)險(xiǎn)，提高其整體安全性和穩(wěn)定性。通過優(yōu)化材料、形狀設(shè)計(jì)以及防雷涂層的選擇，致力于為風(fēng)電行業(yè)提供科學(xué)可行的防護(hù)策略，確保風(fēng)電機(jī)組在雷電影響下能夠安全、高效地運(yùn)行。

1.2 葉片雷擊的檢測(cè)方法

第一，為了確保風(fēng)電機(jī)組葉片雷擊情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和準(zhǔn)確診斷，研究人員進(jìn)行了深入而系統(tǒng)的研究。在傳感器選擇方面，推薦采用電場(chǎng)傳感器、電流傳感器，這兩種傳感器在試驗(yàn)中表現(xiàn)出高度的靈敏度和可靠性，能夠準(zhǔn)確捕捉到雷擊事件的關(guān)鍵參數(shù)。電場(chǎng)傳感器能夠精確識(shí)別雷擊的位置和強(qiáng)度，而電流傳感器則能夠準(zhǔn)確測(cè)量雷電經(jīng)過葉片時(shí)的電流幅度和波形。

第二，為了確保工作人員能夠全面監(jiān)測(cè)葉片雷擊情況，研究人員提出了一套系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備配置方案，將電場(chǎng)傳感器和電流傳感器巧妙地布置在葉片的關(guān)鍵位置，使得工作人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)整體和特定部位的雷擊情況。通過采用智能數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠即時(shí)傳輸至中央處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組雷擊情況的全程實(shí)時(shí)監(jiān)控[4]。

第三，借助大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究人員深入分析和優(yōu)化了葉片雷擊檢測(cè)算法。引入了先進(jìn)的信號(hào)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，進(jìn)一步提升了檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度。此外，通過在多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)和數(shù)據(jù)驗(yàn)證，充分驗(yàn)證了所提出的葉片雷擊檢測(cè)方法的高度實(shí)用性和準(zhǔn)確性。在多次雷擊模擬試驗(yàn)中，檢測(cè)系統(tǒng)成功捕捉并記錄了雷擊事件，準(zhǔn)確率超過了95%。這一全面而切實(shí)可行的解決方案為了確保工作人員可以及時(shí)響應(yīng)雷擊事件，為風(fēng)電機(jī)組的安全性提供了可靠的技術(shù)保障。

2 研究方法

2.1 風(fēng)電機(jī)組模型的建立

在研究中，研究人員精心構(gòu)建了一套詳盡的風(fēng)電機(jī)組模型，涵蓋了其主要組成部分，包括葉片、塔筒、發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵組件。為了充分發(fā)揮其性能，研究人員選用了先進(jìn)的50 m長的復(fù)合材料制造葉片，采用了三葉式設(shè)計(jì)，旨在最大程度地捕獲風(fēng)能并減少噪聲產(chǎn)生。塔筒的高度達(dá)到80 m，采用高強(qiáng)度鋼材焊接而成，其設(shè)計(jì)目的在于提供對(duì)葉片和發(fā)電機(jī)的牢固支撐，以確保整個(gè)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。發(fā)電機(jī)則采用了5 MW額定功率的直驅(qū)式設(shè)計(jì)，旨在提供可靠、高效的電力輸出。

在模型建立的同時(shí)，研究人員深入研究了雷電對(duì)風(fēng)電機(jī)組的潛在影響。通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)所在地區(qū)的年平均雷電強(qiáng)度為20 kA；而在雷暴天氣下，則可能升至50 kA。考慮到雷電頻率，觀察到每年平均有50 d

發(fā)生雷電活動(dòng)，其中有10 d是強(qiáng)雷電活動(dòng)，這進(jìn)一步提高了機(jī)組受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。此外，基于歷史數(shù)據(jù)和氣象記錄，研究人員確定了雷電活動(dòng)的主要方向?yàn)槲鞅薄獤|南方向，這種方向特點(diǎn)使得風(fēng)電機(jī)組的特定區(qū)域，如葉片前緣、塔筒頂部，更容易受到雷擊的影響。

這一全面而深入的模型構(gòu)建不僅在整體結(jié)構(gòu)和功能上考慮了關(guān)鍵組件的特性，而且深入研究了雷電因素對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響。這套模型為后續(xù)的研究和分析提供了牢固的基礎(chǔ)，研究人員能夠更全面地理解風(fēng)電機(jī)組在雷電環(huán)境下的行為和響應(yīng)。

2.2 雷擊暫態(tài)效應(yīng)分析

在研究中，研究人員充分運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)值模擬方法，深入探討了風(fēng)電機(jī)組葉片在雷擊條件下的暫態(tài)響應(yīng)，以更全面地了解雷擊對(duì)葉片的影響機(jī)制。通過對(duì)不同雷電強(qiáng)度和方向的模擬，獲得了葉片在雷擊時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)，如應(yīng)力、變形隨時(shí)間變化的詳細(xì)情況。

具體而言，在雷電強(qiáng)度的分析中，研究人員明確觀察到了雷電強(qiáng)度與葉片損傷程度之間存在正相關(guān)性。當(dāng)雷電強(qiáng)度從20 kA增加到50 kA時(shí)，葉片的最大應(yīng)力值增加了約30%。此外，對(duì)雷電方向進(jìn)行的模擬還揭示了雷電從葉片前緣垂直擊中時(shí)所帶來的顯著變形和應(yīng)力響應(yīng)。

研究人員還關(guān)注不同材料屬性對(duì)葉片響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度復(fù)合材料葉片在一定程度上表現(xiàn)出良好的抗雷擊性能。然而，在極端雷電條件下，仍存在潛在的損傷風(fēng)險(xiǎn)。這些詳盡的數(shù)值模擬分析為深入了解雷擊對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片的影響提供了全面的視角，為未來的試驗(yàn)驗(yàn)證和科學(xué)防護(hù)措施的制定提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。通過模擬得出的結(jié)果，研究人員能夠更準(zhǔn)確地評(píng)估葉片在雷擊條件下的性能，為優(yōu)化防護(hù)策略提供有力支持。

2.3 實(shí)地?cái)?shù)據(jù)的采集與驗(yàn)證

研究人員通過在實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境中部署專業(yè)的雷擊監(jiān)測(cè)設(shè)備，成功進(jìn)行了雷擊監(jiān)測(cè)，記錄了多次雷電事件對(duì)風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際影響（表1）。

在某次雷暴天氣中，研究人員觀測(cè)到風(fēng)電機(jī)組遭受了超過40 kA的雷電強(qiáng)度打擊，導(dǎo)致葉片和塔筒的部分區(qū)域出現(xiàn)輕微的損傷。這些實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供了珍貴的真實(shí)情況參考，有力地支持了數(shù)值模擬的實(shí)用性。隨后，將實(shí)地采集到的數(shù)據(jù)與之前進(jìn)行的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)比對(duì)。結(jié)果表明，在相同雷電強(qiáng)度條件下，數(shù)值模擬所預(yù)測(cè)的葉片應(yīng)力與實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)高度一致性，平均誤差僅為5%。此外，對(duì)于葉片和塔筒的損傷程度，數(shù)值模擬與實(shí)地觀測(cè)之間的差異主要集中在10%以內(nèi)。這意味著數(shù)值模擬方法在模擬風(fēng)電機(jī)組在雷電影響下的響應(yīng)時(shí)表現(xiàn)出色，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

綜上所述，通過3種研究方法的有機(jī)結(jié)合，研究人員全面了解了風(fēng)電機(jī)組在實(shí)際雷電環(huán)境中的行為和反應(yīng)。實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集和驗(yàn)證提供了實(shí)際案例支持，而對(duì)比分析則加強(qiáng)了對(duì)數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的參考。這些深入的研究成果為未來的風(fēng)電機(jī)組防護(hù)設(shè)計(jì)、優(yōu)化和維護(hù)提供了有力的科學(xué)基礎(chǔ)。

3 雷擊風(fēng)險(xiǎn)的分布特征

3.1 不同葉片區(qū)域的雷擊風(fēng)險(xiǎn)的比較

在本研究中，通過對(duì)風(fēng)電場(chǎng)歷史數(shù)據(jù)的深入分析，研究人員細(xì)致研究了風(fēng)電機(jī)組不同葉片區(qū)域的雷擊風(fēng)險(xiǎn)。具體而言，葉片根部、中部和末端的雷擊概率分別為25%、40%和20%（表2）。這些數(shù)據(jù)明確表明，受雷擊影響最為顯著的區(qū)域是葉片的中部。這一發(fā)現(xiàn)為在葉片設(shè)計(jì)和防護(hù)方面提供了重要的指導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)了在中部區(qū)域加強(qiáng)雷擊防護(hù)的緊迫性，并提示應(yīng)當(dāng)通過優(yōu)化材料和形狀等手段減少雷擊的概率。

同時(shí)，對(duì)不同風(fēng)向和風(fēng)速下的雷擊風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。在東北風(fēng)和西南風(fēng)的風(fēng)向條件下，葉片雷擊的分布情況分別為60%和40%，說明東北風(fēng)向更容易導(dǎo)致雷擊事件。在不同風(fēng)速條件下，雷擊概率呈現(xiàn)出明顯的差異。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到25 m/s時(shí)，雷擊概率上升至50%，而在15 m/s的風(fēng)速下，雷擊概率為30%。這強(qiáng)調(diào)了風(fēng)速對(duì)雷擊的敏感性，研究人員需要制定相應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行策略，以降低在高風(fēng)速條件下的雷擊風(fēng)險(xiǎn)[5]。

總體而言，通過對(duì)雷擊風(fēng)險(xiǎn)的全面比較和分析，深入了解了雷擊在不同區(qū)域和氣象條件下的影響特點(diǎn)。這為未來的風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)、運(yùn)行策略的制定以及防護(hù)措施的改進(jìn)提供了有力的數(shù)據(jù)支持，旨在最大程度地減少雷擊風(fēng)險(xiǎn)，確保風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定高效運(yùn)行。

3.2 外部因素對(duì)葉片雷擊的影響

在研究中，深入探討了外部因素對(duì)葉片雷擊的影響，主要關(guān)注了氣象條件和雷電頻率2個(gè)方面的因素（表3）。首先，在氣象條件對(duì)雷擊的影響方面，發(fā)現(xiàn)在溫度維持在25～30 ℃之間且相對(duì)濕度達(dá)到70%以上的情況下，雷擊概率顯著增加，可能性高達(dá)60%。此外，不同氣象參數(shù)下雷擊路徑的比較表明在高濕度和溫度條件下，雷擊路徑更傾向于集中在葉片的上部區(qū)域。這為風(fēng)電場(chǎng)提供了明確的氣象監(jiān)測(cè)建議，強(qiáng)調(diào)了對(duì)溫濕度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控的重要性，以更好地預(yù)測(cè)和規(guī)避潛在的雷擊風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)表4可知，在雷電頻率與葉片雷擊的關(guān)聯(lián)分析方面，通過對(duì)近五年氣象數(shù)據(jù)的計(jì)算，得出風(fēng)電場(chǎng)附近的雷電頻率每年約為200次。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，每增加10次雷電頻率，葉片雷擊事件的發(fā)生率可能增加2.5%。而在評(píng)估雷電頻率對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷電頻率高于平均水平時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)備故障率增加了20%。這說明雷電頻率對(duì)風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)和管理的關(guān)鍵影響，提示相關(guān)部門需要加強(qiáng)預(yù)防措施和定期檢查，以確保風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行。

通過深入的分析，研究人員不僅對(duì)外部因素對(duì)葉片雷擊的影響機(jī)制有了全面了解，而且為相關(guān)部門制定更為精準(zhǔn)的防護(hù)策略，提高風(fēng)電機(jī)組的整體安全性提供了重要的數(shù)據(jù)支持和科學(xué)建議。

3.3 風(fēng)電場(chǎng)一年時(shí)間類風(fēng)機(jī)各組件的損壞情況

風(fēng)電場(chǎng)在一年的時(shí)間內(nèi)，經(jīng)歷了不同組件的損壞事件，其中包括雷擊導(dǎo)致的風(fēng)葉損壞和其他原因?qū)е碌母鹘M件損壞（表5）。由表5可知，雷擊導(dǎo)致的葉片損壞占總?cè)~片損壞的70%，而在其他組件中，雷擊導(dǎo)致的損壞占總其他組件損壞的33.3%。

4 結(jié)束語

防護(hù)設(shè)計(jì)建議、葉片雷擊檢測(cè)方法，以及對(duì)外部因素的分析為提高風(fēng)電機(jī)組的整體安全性和穩(wěn)定性提供了具體可行的技術(shù)支持。研究人員全面探討了風(fēng)電機(jī)組葉片雷擊風(fēng)險(xiǎn)的分布特征，為制定科學(xué)的防護(hù)策略提供了重要的數(shù)據(jù)支持。期待這些研究成果可以對(duì)未來風(fēng)電行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和安全運(yùn)行起到積極的推動(dòng)作用。

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作者簡(jiǎn)介：何小玲（1984—），女，廣東韶關(guān)人，助理工程師，研究方向?yàn)槔纂姺烙?/p>