風力發(fā)電機直擊雷的防護

1、風力發(fā)電機直擊雷的防護摘要：本文介紹了風力發(fā)電機葉片的結構特點和直擊雷防護措施，對于目前常用的直擊雷防護措施進行了分析和比較，并就風力發(fā)電系統(tǒng)接地工程提出了一些建議。關鍵詞：風力發(fā)電；直擊雷防護；新能源引言風力發(fā)電是新能源產業(yè)中的重要組成部分，截至2007年全球風電裝機容量已經突破9萬 MW，我國預計到2010年風電裝機容量將達到2000萬kW，年發(fā)電量為 400億kW h?？梢姡磥韼啄觑L電產業(yè)將成為國內的支柱產業(yè)，也將帶動一批相關的上下游產業(yè) 的高速發(fā)展，風電系統(tǒng)防雷也將成為重要的組成部分。1風電防雷系統(tǒng)的組成針對風力發(fā)電機組的防雷，按照風力發(fā)電機的結構特點可分為直擊雷防護和雷電電 磁脈沖

2、防護兩部分：1.1風力發(fā)電機的直擊雷防護(1) 葉片的直擊雷防護；(2) 機艙及塔桶的等電位鏈接；(3) 風機的接地設計1.2風力發(fā)電機雷電電磁脈沖防護系統(tǒng)的組成（1）電控系統(tǒng)的雷電電磁脈沖防護；（2）信號控制系統(tǒng)的雷電電磁脈沖防護；（3）等電位及屏蔽防護本文重點介紹風力發(fā)電系統(tǒng)直擊雷防護系統(tǒng)中葉片的防雷特點和工程接地。2風力發(fā)電機組葉片的防雷從圖1可見，風力發(fā)電機組中最高部分就是葉片的最高高度，當葉片運行到最高高 度時，即可視為避雷針形成引雷通道，是目前全球范圍風力發(fā)電機遭雷擊破壞影響最大 的一種情況。對于風力發(fā)電機的葉片防雷，全球各風電設備制造廠商都采取了不同的防 護措施，也都取得了一定的

3、效果，對于目前行業(yè)中風電葉片的防雷措施本文也會做一下 簡單的比較。tv - KM1 cmth)圖2葉片的雷電放電測試（LM公司資料）2.1葉片的結構目前，風力發(fā)電機組的葉片都是由復合材料制成的大型中空結構，如玻璃纖維增強的復合材料GRP（玻璃鋼材料），木材、復合板材和碳纖維增強塑料（CRP）。碳纖維增強塑料（CRP） 般用于加強葉片的結構或特殊元件（如：帶翼尖失速制動裝置）的葉片變漿軸。早 些時間，一些觀點認為雷電不會擊中絕緣材料制成的葉片上，可是，實際的運行經驗徹底的 打破了這種觀點，事實上，雷電會擊中沒有任何金屬材料的葉片上，從而導致整機的火災。圖3葉片遭雷擊后形成的火災22不同葉片的特點

4、根據(jù)葉片的控制和制動方式不同，風機的葉片可分為以A、B、C D四種類型.2.2.1 A 型葉片的特點A型葉片將前緣外部的一個副翼作為制動翼，對于這種葉片雷擊點較多的出現(xiàn)在鋼折板的鉸接處，由于控制折板的鋼絲沒有足夠的通流能力，造成控制折板的鋼絲熔斷；圖4不同系統(tǒng)中的葉片2.2.2 B型葉片的特點相對于A型葉片,B型葉片在制動上采取了葉尖制動的方式，而這種制動方式同時把葉尖作為雷擊的接閃點，當雷電通過葉尖接閃后雷電電弧從葉尖點開始到主軸與葉片的鏈接法蘭 之間形成電弧，這種電弧將造成葉片的整體爆裂，目前這兩種葉片基本上已經淘汰，仍在使用的基本是老式的100kW以下的風力發(fā)電機。2.2.3 C 型葉片

5、的特點 這種葉片是目前行業(yè)中常用的一種新型葉片,它與 B 型葉片相似。 與 B 型葉片相比 ,這種葉片造成的電弧張力相對損失會更嚴重,為了避免這種情況 ,17 米的葉片內部使用的鋼絲直徑都大于10mm，由于加強了鋼絲的通流能力，所以這種葉片在遭雷擊后較少出現(xiàn)整個葉片 爆裂的情況。2.2.4 D 型葉片的特點D型葉片是完全的非金屬材料制成的，有試驗表明，這種非金屬材質的葉片在運行一段時間后 ，由于表面的污濁和鹽霧侵蝕， 葉片的表面等效于導體材料 ，這種葉片也會經常遭到雷擊 .2.3 葉片遭雷擊的損壞機制葉片遭雷擊的典型后果是葉片的開裂，復合材料表面的燒灼損壞 ，或者有金屬部件的燒毀及融化；而對于

6、雷電在葉片內部形成電弧時 ，對葉片的損壞最為嚴重 ，當雷電擊中葉片后葉片 內部中的空氣會迅速膨脹 ，這種膨脹可能是由于葉片內部的殘留潮濕空氣或者瞬間高溫產生 的空氣膨脹 ，瞬間的壓力沖擊會使整個葉片爆裂，嚴重時壓力波會通過輪轂傳導到沒有遭雷擊的葉片上 ， 而引起連鎖的損壞。避免雷電擊中葉片后形成的內部壓力的最好辦法是將雷電通道屏蔽在葉片的外部，或者減小雷電對葉片的沖擊壓力，當葉片外部的雷電散流面積足夠大時，對葉片的損壞相對會減小很多 .2.4 各種風力發(fā)電機的葉片防雷措施目前 ，葉片防雷的主要做法是將葉片上的雷電流引至輪轂長，通過輪轂與塔桶的等電位聯(lián)接系統(tǒng)將雷電流泄放 ，避免葉片的損壞。主流的

7、方法有兩種 ，一種是在葉片的表面或內部安裝金屬 材料將電流從葉尖引至葉根通過葉片輪轂的聯(lián)接泄流;另一種是在葉片表面添加導電材料，使雷電流在葉片表面?zhèn)鲗?，避免葉片的損壞 .2.4.1 葉片表面或者嵌入葉片表面的接閃器 在葉片表面安裝接閃器或者引下線的金屬避雷線必須有足夠的截面積能夠承受雷擊電2流，并且能夠安全傳導，一般使用的鋁質避雷線的截面積為50mm，但是如何將避雷線牢固的固定在葉片上也存在一定問題，安裝在葉片表面的避雷線很可能在葉片在轉動的過程中影響葉片的空氣動力學特性，脫落或者產生噪音。用銅或鋁的避雷線或者網制作成的嵌入葉片的避雷帶，嚴格的將是避雷線從葉根到葉尖 的表面的聯(lián)接 ，或者是包

8、裹這個葉片的前緣和后緣。It gA圖5不同葉片的防雷措施圖6 ABCD.接閃后的葉片（國內風場S50/750）（中間的鋼纜（避雷線）已經燒焦）242粘貼金屬箔和分段式避雷帶在國外有些風力發(fā)電機的葉片防雷處理中使用了一種在葉片表面粘貼鋁箔的方式，這種方式唯一的問題就是無法長時間可靠固定，在粘貼幾個月后就會脫落，如果能夠解決固定的方式,達到使其長期可靠的固定，這種方式將成為以后有效且成本低廉的有效措施，并且可以解決現(xiàn)有風力發(fā)電機葉片沒有防雷措施的問題。 分段式避雷帶的提出是基于飛機用雷達天線罩 的試驗 ,試驗表明安裝在機翼上的分段式避雷帶不會對雷達天線造成干擾,但其接閃能力沒有準確的測試數(shù)據(jù)支持，

9、所以在風力發(fā)電機的葉漿上的一直沒有得到應用。2.4.3 內部引下線 （內嵌式避雷線 ）這是一種傳統(tǒng)的葉片防雷措施 ,主要是將足夠面積的金屬線預制在葉片中,在葉片的尖端留出特制的金屬接閃器 ,但唯一的問題是當葉片的長度超過20m 時這種方式就會引葉片內部的金屬線發(fā)上電磁張力而造成葉片的損壞。2.4.4 葉片接閃器的攔截效率對風機雷電電磁脈沖防護的影響 對于采用固定在葉片表面的不連續(xù)的接閃器,要考慮其攔截效率。通過對直接雷的攔截效率計算 ,推導風力發(fā)電機電控系統(tǒng)可能產生的雷電電磁脈沖的預期沖擊后果,在進行電控系統(tǒng)的雷電電磁脈沖系統(tǒng)防護設計時具有針對性的進行電涌保護器的適型選擇。3 風力發(fā)電機組的接

10、地設計風力發(fā)電機組的防雷接地目前是由各風電設備廠家自主提出的一個參數(shù)要求。目前,國內的金風、東汽、華瑞和海裝等風機制造企業(yè)提出的風力發(fā)電機接地電阻一般在2Q和4Q,國外品牌中維斯塔斯、歌美颯公司一般推薦2Q的接地電阻要求。風力發(fā)電機組的接地網設計不是孤立的,需要結合風場的規(guī)模 ,地質條件和氣象條件進行整體考慮。此外 ,風場的接地需要結合風機的布點適當?shù)倪M行聯(lián)合接地,而不是一味的要求全部風場的風機實現(xiàn)大聯(lián)合地網的設計,往往設計院對風機的接地設計局限于單機的設計,而單機的接地電阻又由于高土壤電阻率和惡劣的地質條件而無法實現(xiàn)。所以,結合風機的布置適當?shù)倪M行小范圍的地網聯(lián)合是有必要的。此外,對于風電升壓站的防雷接地需要按照電力相關標準對升壓站的防雷規(guī)范進行設計，本文不再贅述。4 結束語,目前國內對于風力發(fā)電機, 直擊雷系統(tǒng)也僅僅是風電,但是近年風電公司發(fā)現(xiàn)按, 所以對于國內的防雷企業(yè)而風力發(fā)電機組的防雷是近兩年被風電行業(yè)提到議事日程上的 的防雷，對于雷電電磁脈沖的防護產品基本上都是進口產品為主 場的接地；較早期間 ,風電場的接地一般