風(fēng)機葉片金屬網(wǎng)防護下的雷擊損傷特性研究

蔣凌峰，蔣正龍，謝鵬康，付志瑤，黃肖琪

(1.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 4101142；2. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司防災(zāi)減災(zāi)中心(電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)全國重點實驗室)， 湖南 長沙 410129；3.國網(wǎng)湖南省電力有限公司水電分公司，湖南 長沙 410007)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源發(fā)電系統(tǒng)重要組成部分，近年來迅速發(fā)展[1-3]。然而，風(fēng)力發(fā)電機常處于高山、平原等開闊地區(qū)，隨著風(fēng)機裝機容量和結(jié)構(gòu)高度不斷增加[4-6]，風(fēng)機葉片遭受雷擊風(fēng)險與日俱增?，F(xiàn)有風(fēng)機葉片防雷裝置有一定接閃失效的概率，文獻[7]對美國德克薩斯地區(qū)508臺風(fēng)機進行了5年的雷擊觀測，發(fā)現(xiàn)有304次雷擊造成風(fēng)機葉片雷擊損傷。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)南方某風(fēng)電場13臺1.5 MW風(fēng)機的損壞率為9.8次/(100臺·年)。風(fēng)機葉片遭受雷擊損壞需要進行停機檢修，嚴重威脅風(fēng)電系統(tǒng)的供電可靠性[8-11]。

雷電流幅值與風(fēng)機葉片雷擊損傷程度直接相關(guān)[12-14]。一方面，雷電電弧的熱磁效應(yīng)會使放電路徑的材料高溫開裂，造成分層損傷；另一方面，雷電電弧會引起葉片腔體氣流的高速膨脹，對葉片產(chǎn)生嚴重的沖擊作用，導(dǎo)致葉片結(jié)構(gòu)損傷[15-17]，如局部開裂甚至整體爆裂。自然界中少數(shù)雷電流幅值為100 kA以上，尚不清楚現(xiàn)有接閃器對高幅值雷電流的防護效果。在風(fēng)機葉片表面鋪設(shè)金屬網(wǎng)是一種簡單有效的防雷方法，可以有效減少雷擊葉身現(xiàn)象[18-19]。為驗證風(fēng)機葉片鋪設(shè)防雷金屬網(wǎng)后雷擊大電流耐受特性和防護效果，有必要進行風(fēng)機葉片雷擊高壓、大電流損傷試驗，研究金屬網(wǎng)防雷方式下風(fēng)機葉片接閃特性和雷電耐受水平。

因此，本文建立1∶1真型葉片雷擊高壓、大電流閃絡(luò)試驗平臺，研究金屬網(wǎng)防護下的葉片雷擊附著點和雷擊直接損傷效應(yīng)。通過分析葉片不同位置的雷擊損傷差異，得到金屬網(wǎng)雷擊防護效果影響因素，進一步指導(dǎo)風(fēng)機葉片防雷設(shè)計。

1 風(fēng)機葉片大電流雷擊試驗平臺

1.1 先導(dǎo)附著和電弧引入試驗

文獻[20-22]指出，90%的風(fēng)機葉片雷擊損傷集中在葉尖前4 m范圍內(nèi)，因此采用5 MW真型風(fēng)機葉片前5 m區(qū)域進行雷擊試驗。試驗平臺由5 m長真型風(fēng)機葉片、高壓電極、沖擊電壓發(fā)生器、攝像機等組成，如圖1所示。真型風(fēng)機葉片懸掛在接地板上方，葉尖朝向接地板，引下線與高壓端相連。

圖1 雷擊先導(dǎo)試驗平臺

1)先導(dǎo)附著試驗。風(fēng)機葉片前緣、后緣、迎風(fēng)面和背風(fēng)面分別與水平接地板成10°、30°、90°，進行先導(dǎo)附著試驗，統(tǒng)計雷擊附著位置。葉尖與接地板的距離大于1.5 m，接地板尺寸為9 m×9 m。

2)電弧引入試驗。通過細銅絲兩端連接高壓段和葉身附著點，觀測從雷擊附著點注入的雷電能量對葉片造成的直接損傷效應(yīng)，分為短沖擊(大電流直接損傷效應(yīng))和長沖擊(電荷轉(zhuǎn)移的灼燒效應(yīng))試驗，如圖2所示。

圖2 電弧引入試驗平臺

1.2 試驗設(shè)置

實測高壓端電壓幅值為628.96 kV，波形為73.8/80.49 μs。在引弧試驗中，將試樣安裝在牢固支撐的絕緣板桌面上，測試電極是直徑為50 mm的球形電極，放置在樣品區(qū)域上方50 mm，將直徑為0.2 mm的銅線用于將電弧引入葉片上的典型位置點。為驗證防雷金屬網(wǎng)的大電流沖擊防護能力和表面燒蝕耐受防護能力，分別進行3次短沖擊(峰值200 kA，能量比9.45 MJ/Ω)和長沖擊(峰值300 A，電荷量200 C)放電試驗。記錄每次放電前后施加的電流波形，并檢查和記錄葉片的外觀，電流波形如圖3所示。

圖3 沖擊電流波形

2 風(fēng)機葉片雷擊高壓、大電流試驗

2.1 先導(dǎo)附著試驗

葉片在10°、30°和葉尖對地姿態(tài)下，分別對迎風(fēng)面、背風(fēng)面、前緣和后緣進行了正、負極性先導(dǎo)附著試驗。典型接閃位置如圖4所示。

(a)葉片后緣接閃

(b)葉尖接閃

葉片不同姿態(tài)下的先導(dǎo)附著試驗結(jié)果見表1。

表1 風(fēng)機葉片先導(dǎo)附著結(jié)果

先導(dǎo)附著試驗采用引下線加壓方式，當(dāng)高壓端為正極性時，相當(dāng)于負極性雷云放電，反之亦然。試驗結(jié)果表明，風(fēng)機葉片采用金屬網(wǎng)作為防雷裝置時，可在葉片多姿態(tài)角度下有效保護葉片免受雷擊損傷，可靠接閃。

2.2 電弧引入試驗

將直徑為0.2 mm的銅線連接到球形高壓電極上，使葉片表面起弧，觀察到葉片表面在長沖擊和短沖擊下的損傷，如圖5所示。

(a)后緣短沖擊損傷

(b)葉尖處短沖擊損傷

(c)葉身處長沖擊損傷

電弧引入試驗測得短沖擊電流幅值為198.47 kA，能量比為9.4 MJ/Ω。觀察到葉片表面有許多孔狀放電現(xiàn)象，葉尖輕微燒蝕變黑，電流注入處漆層脫落，在靠近銅網(wǎng)的上風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)和前緣都會發(fā)生過電流損傷。

風(fēng)機葉片長沖擊耐受能力是驗證金屬網(wǎng)抗雷電流燒蝕能力的重要指標，以確保銅網(wǎng)在成功接閃后能夠承受雷電電流波尾部的燒蝕效應(yīng)。試驗平均注入電荷量為208 C，發(fā)現(xiàn)注射點油漆層脫落，銅網(wǎng)燒蝕損壞，面積約為4 cm×4 cm。此外，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過幾次短脈沖放電試驗(200 kA)后，葉尖和葉身之間的壓接板發(fā)生了結(jié)構(gòu)撕裂，如圖6所示。

圖6 壓接板結(jié)構(gòu)損傷

經(jīng)分析，認為經(jīng)接閃器和金屬網(wǎng)接閃的雷電流都集中在壓接板處流入引下線接地。當(dāng)引下線泄流通道容量不足時，雷電流會產(chǎn)生巨大的電應(yīng)力，導(dǎo)致壓接板脫落和葉片本體發(fā)生結(jié)構(gòu)撕裂。因此，應(yīng)優(yōu)化接閃器和引下線之間的電氣連接，增加引下線通流能力。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)對先導(dǎo)附著試驗的影響

將高壓端連接到引下線進行葉片先導(dǎo)附著試驗，檢查葉片表面的絕緣隱患。由表1可知，金屬網(wǎng)保護方式下葉片雷擊接閃的典型方式是雷擊葉片本體或前緣。對前文試驗結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)葉片前緣和后緣是葉片接閃集中區(qū)域，這可能與金屬網(wǎng)施工結(jié)構(gòu)缺陷有關(guān)。風(fēng)機葉片基材為玻璃纖維增強樹脂，由迎風(fēng)面和背風(fēng)面兩個獨立葉片黏合而成。金屬網(wǎng)鋪貼施工時會在前緣和后緣處發(fā)生堆疊，當(dāng)下行先導(dǎo)持續(xù)靠近葉片時，前緣和后緣堆疊的突出幾何結(jié)構(gòu)會畸化電場，更易產(chǎn)生上行先導(dǎo)。

3.2 金屬網(wǎng)泄流路徑對雷擊損壞效應(yīng)的影響

金屬網(wǎng)接地通流能力是衡量防雷設(shè)置可靠性的重要指標。葉尖與葉身處固定作用的壓接板在短沖擊下發(fā)生結(jié)構(gòu)性損傷，這是因為金屬網(wǎng)接閃的雷電流首先匯聚在壓接板上，通過壓接板連接到引下線將雷電電流釋放到地面。此種連接方法使壓接板處的電流密度過大，由此產(chǎn)生的電應(yīng)力易導(dǎo)致壓接板脫落，造成葉片表面撕裂損壞。因此建議優(yōu)化金屬網(wǎng)泄流通道設(shè)計，將金屬網(wǎng)多點連接引下線，增加泄流通道，降低流經(jīng)壓接板的電流密度，等效電路如圖7所示。其中Ik為雷電流幅值；Rc、R、Rg分別為金屬網(wǎng)、壓接板以及引下線的電阻；Rl1、Rl2和Rln分別為金屬網(wǎng)與引下線之間新增n個連接點后雷擊點至該連接點的電阻。

(a)壓接板原泄流通道

(b)優(yōu)化后壓接板泄流通道

4 結(jié)論

1)搭建風(fēng)機葉片雷擊高壓、大電流試驗平臺，進行風(fēng)機葉片先導(dǎo)附著和電弧引入試驗，發(fā)現(xiàn)金屬網(wǎng)防雷方式下風(fēng)機葉片后緣和前緣是接閃集中區(qū)域，這可能是金屬網(wǎng)鋪設(shè)工藝造成的幾何結(jié)構(gòu)堆疊導(dǎo)致。

2)風(fēng)機葉片金屬網(wǎng)防雷裝置在先導(dǎo)附著試驗中能夠可靠接閃，但在長沖擊電弧引入試驗中發(fā)生金屬網(wǎng)燒蝕，需要對防雷金屬網(wǎng)厚度及網(wǎng)孔大小進一步研究。

3)金屬網(wǎng)接地通流能力是影響風(fēng)機葉片雷擊損傷效應(yīng)的重要指標。針對高幅值雷擊，需要優(yōu)化金屬網(wǎng)與引下線的連接方式，減少壓接板處的電流集中效應(yīng)，提升葉片雷擊損傷耐受能力。