風電場葉片防雷技術優化分析

　　隨著風電整機出質保的比例不斷增加，機組、葉片因雷損失的比例也不斷擴大。山東公司在榮成項目的66臺1.5MW風力發電機組由于地理地勢條件，造成了該風場每年因雷擊損壞導致的停機比例逐年增加。造成目前葉片因雷損失比例增高的主要原因是葉片防雷設計基本沒有進行雷擊設計驗證、葉片防雷系統有效接閃率低、接閃器設計冗余不足導致的。本文將對葉片的因雷損失進行分析，并提出一種針對既有葉片的防雷改造方案。

　　

　　

　　隨著風電行業的發展，強對流氣象災害多風電場的影響逐年增加，由于榮成地區處于膠東半島末端，每年雷暴活動和山區小氣候活動異常頻繁，自風電產投產以來因雷擊導致的葉片損壞、線路跳閘事件不斷發生；因葉片雷擊損壞造成的停機時間占總停機時間的60%以上。

　　

　　榮成地區屬于膠東半島末端，氣象統計的縣城雷暴日超過40天，風電場根據多年運行掌握的資料發現，風電場每年雷電活動天數超過55天，甚至在升壓站發生過多次落雷事件。通過多年運行經驗發現，風電場的雷擊事故損壞半徑與風電場選址、裝機密度、機組防雷性能有著直接關系。機組在防雷系統上一直存在較為明顯的設計問題，導致小葉尖頻遭雷擊損壞，葉片雷擊損壞已經嚴重影響機組正常運行。

　　

　　

　　機組的葉片防雷系統較為單一和薄弱，僅在葉尖位置有一組接閃器，其接閃器與引下線的內安全距離較近，容易造成葉片因雷導致的擊穿。

　　

　　葉片在晴天大氣電場中由于葉尖結構決定了其造成的水平等電位線的畸變水平，在動態條件下機組與葉輪轉動導致等電位線在葉片外周形成較大的畸變；而圍觀層面，葉片表面由于受到大氣電場的作用在其表面會吸附大量的靜電電荷，在陰天條件下受到水膜的作用電荷開始運動更利于形成上行先導。葉片的接閃主要是由于在高電場條件下表面存在靜電電荷，晴天條件下大氣電場強度為120V/m,在雷雨發生前的電器電場強度為3.4Kv/m.風力發電機組表面及葉片表面都會存在靜電電荷。當大氣電場強度不斷變化時，由于葉片屬于非金屬物體，在晴天條件下葉片表面只有很少的靜電電荷。葉片作為一種空腔結構，在晴天時屬于非導體空腔，腔內引下線表面附著有靜電電荷；當下雨打雷時葉片表面受到水膜作用實質變性為導體空腔，受到高電場作用，葉片內部的引下線會產生大量的感應正電電荷（含機組從大地上獲取到的正電荷），在靜電平衡的作用下，葉片內部底層帶等電量的負電荷，在葉片表面水膜層帶等量正電荷，在水膜運行的作用下電荷從葉根向葉尖流動。由于葉片表面的電荷量的增加，在葉片表面和葉尖接閃器（全金屬葉尖接閃器）上都會形成上行先導，上行先導的數量由葉片所處電場強度決定。當葉片表面形成的上行先導與雷雨云形成的下行先導貫通時，形成接閃通道。

　　

圖2 葉片表面上行先導分布

　　

　　在雷雨時葉片整體變形為導電腔體，葉片表面受到葉片內部引下線感應的同步等量的電荷，在水膜作用下流動，在單位面積內形成與葉片引下線及人工定位放電裝置相同的上行先導，這時葉片上行先導與雷云下行先導之間會存在擊穿選擇性。

　　

　　雷電先導（如圖3）在擊穿空氣時會選擇阻抗更低的通道繼續下行，其擊穿空氣傳導的速度為20-50m/us。按照其最快的傳導50m/us的速度計算，下行先導與上行先導在最短擊距350m的時間約為6us，考慮到無法判定葉片在接閃瞬間時是處于脫網、滿發或其它運行工況，因此假定在17轉/min的滿發工況條件下，來計算葉片在5-6us時間的行進弧度。同時，由于葉片的長度不同，在相同時間內葉片行進弧度同樣也會存在差異，因此，我們以葉片人工定位放電裝置所形成的先導為主要的參考量（葉片人工定位放電裝置按照5cm直徑考慮）。

　　圖 3上行先導、下行先導與雷電傳導速度

　　圖 4 葉片接閃的選擇性

　　

　　假定在雷雨時，葉片表面及人工定位放電裝置存在多個上行先導，且人工定位放電裝置上的上行先導1與雷云下行先導在第1us時存在導通趨勢。在第6us雷云下行先導與上行先導將導通時，由于此時葉片已經發生偏轉，人工定位放電裝置上的上行先導1也隨之發生位移（如圖5），此時可能是葉片表面的上行先導2反而處于優勢位置，最終葉片表面的上行先導2與雷云下行先導貫通，形成主放電通道，人工定位放電裝置反而并未有效接閃如圖4的實驗室的試驗也表明了這種情況發生的可能。

　　

　　

　　葉片導流條是目前在風電行業使用較為普遍的一種技術補充手段，從其原來來看葉片導流條屬于利用雷電高頻特性基于趨膚原理的表面傳導原理的擴展應用。

　　

　　表面放電技術主要原理是利用導體、半導體表面形成的電流閃絡通道或者電離通道達到傳導的目的。表面閃絡原理的本質原理與趨膚效應類似，都是指高頻電流在物體外表面的一種放電形式和現象。該項技術與目前主流的防雷原理有一定的區別，主要在于現有防雷理論中主要提出雷電的攔截，而在物體外表面的閃絡則是絕緣降低的表現，例如高壓電力系統對于絕緣瓷瓶表面出現閃絡則會導致對地短路的嚴重事故。而對于造成表面閃絡的原因多是絕緣體或半導體表面出現污穢、水膜等情況降低材料表面絕緣，這種閃絡是具有較高危害性的。有條件的利用表面閃絡的特性，通過外部裝置使其表面產生上行先導，吸引并傳導雷電流；通過特定的方向將雷電流傳導至大地，是一種技術手段和方法。導流條的技術原理是利用雷電流或高頻電流的趨膚特性，人為的在絕緣材料表面增加一條利于閃絡的放電通道。通過對早期和近年出現的不同材料分析，其核心原理都是建立閃絡通道傳導雷電流。進一步的分析可理解為在特定應用領域條件下的絕緣體、半導體表面采用分段結構的導流條可有效增加單位面積上的上行先導，造成有利于擊穿導通的外部輔助條件，并且使雷電流通過在導流條表面以閃絡的形式進行定向傳導，達到有效導流和提高目標接閃器有效接閃率的目的。

　　

　　

　　為了減少和壓縮因雷導致的葉片損壞問題，在河北公司沽源冰峰風電場對33臺金風750機組的葉片進行防雷系統優化，在山東公司榮成項目6臺機組進行了葉片防雷技改。

　　

　　參考文獻：

　　

　　基于表面閃絡放電技術的雷電流導流載體的研究 《電瓷避雷器》2016年第3期  莊嚴等