风电场叶片防雷技术优化分析

　　随着风电整机出质保的比例不断增加，机组、叶片因雷损失的比例也不断扩大。山东公司在荣成项目的66台1.5MW风力发电机组由于地理地势条件，造成了该风场每年因雷击损坏导致的停机比例逐年增加。造成目前叶片因雷损失比例增高的主要原因是叶片防雷设计基本没有进行雷击设计验证、叶片防雷系统有效接闪率低、接闪器设计冗余不足导致的。本文将对叶片的因雷损失进行分析，并提出一种针对既有叶片的防雷改造方案。

　　

　　

　　随着风电行业的发展，强对流气象灾害多风电场的影响逐年增加，由于荣成地区处于胶东半岛末端，每年雷暴活动和山区小气候活动异常频繁，自风电产投产以来因雷击导致的叶片损坏、线路跳闸事件不断发生；因叶片雷击损坏造成的停机时间占总停机时间的60%以上。

　　

　　荣成地区属于胶东半岛末端，气象统计的县城雷暴日超过40天，风电场根据多年运行掌握的资料发现，风电场每年雷电活动天数超过55天，甚至在升压站发生过多次落雷事件。通过多年运行经验发现，风电场的雷击事故损坏半径与风电场选址、装机密度、机组防雷性能有着直接关系。机组在防雷系统上一直存在较为明显的设计问题，导致小叶尖频遭雷击损坏，叶片雷击损坏已经严重影响机组正常运行。

　　

　　

　　机组的叶片防雷系统较为单一和薄弱，仅在叶尖位置有一组接闪器，其接闪器与引下线的内安全距离较近，容易造成叶片因雷导致的击穿。

　　

　　叶片在晴天大气电场中由于叶尖结构决定了其造成的水平等电位线的畸变水平，在动态条件下机组与叶轮转动导致等电位线在叶片外周形成较大的畸变；而围观层面，叶片表面由于受到大气电场的作用在其表面会吸附大量的静电电荷，在阴天条件下受到水膜的作用电荷开始运动更利于形成上行先导。叶片的接闪主要是由于在高电场条件下表面存在静电电荷，晴天条件下大气电场强度为120V/m,在雷雨发生前的电器电场强度为3.4Kv/m.风力发电机组表面及叶片表面都会存在静电电荷。当大气电场强度不断变化时，由于叶片属于非金属物体，在晴天条件下叶片表面只有很少的静电电荷。叶片作为一种空腔结构，在晴天时属于非导体空腔，腔内引下线表面附着有静电电荷；当下雨打雷时叶片表面受到水膜作用实质变性为导体空腔，受到高电场作用，叶片内部的引下线会产生大量的感应正电电荷（含机组从大地上获取到的正电荷），在静电平衡的作用下，叶片内部底层带等电量的负电荷，在叶片表面水膜层带等量正电荷，在水膜运行的作用下电荷从叶根向叶尖流动。由于叶片表面的电荷量的增加，在叶片表面和叶尖接闪器（全金属叶尖接闪器）上都会形成上行先导，上行先导的数量由叶片所处电场强度决定。当叶片表面形成的上行先导与雷雨云形成的下行先导贯通时，形成接闪通道。

　　

图2 叶片表面上行先导分布

　　

　　在雷雨时叶片整体变形为导电腔体，叶片表面受到叶片内部引下线感应的同步等量的电荷，在水膜作用下流动，在单位面积内形成与叶片引下线及人工定位放电装置相同的上行先导，这时叶片上行先导与雷云下行先导之间会存在击穿选择性。

　　

　　雷电先导（如图3）在击穿空气时会选择阻抗更低的通道继续下行，其击穿空气传导的速度为20-50m/us。按照其最快的传导50m/us的速度计算，下行先导与上行先导在最短击距350m的时间约为6us，考虑到无法判定叶片在接闪瞬间时是处于脱网、满发或其它运行工况，因此假定在17转/min的满发工况条件下，来计算叶片在5-6us时间的行进弧度。同时，由于叶片的长度不同，在相同时间内叶片行进弧度同样也会存在差异，因此，我们以叶片人工定位放电装置所形成的先导为主要的参考量（叶片人工定位放电装置按照5cm直径考虑）。

　　图 3上行先导、下行先导与雷电传导速度

　　图 4 叶片接闪的选择性

　　

　　假定在雷雨时，叶片表面及人工定位放电装置存在多个上行先导，且人工定位放电装置上的上行先导1与雷云下行先导在第1us时存在导通趋势。在第6us雷云下行先导与上行先导将导通时，由于此时叶片已经发生偏转，人工定位放电装置上的上行先导1也随之发生位移（如图5），此时可能是叶片表面的上行先导2反而处于优势位置，最终叶片表面的上行先导2与雷云下行先导贯通，形成主放电通道，人工定位放电装置反而并未有效接闪如图4的实验室的试验也表明了这种情况发生的可能。

　　

　　

　　叶片导流条是目前在风电行业使用较为普遍的一种技术补充手段，从其原来来看叶片导流条属于利用雷电高频特性基于趋肤原理的表面传导原理的扩展应用。

　　

　　表面放电技术主要原理是利用导体、半导体表面形成的电流闪络通道或者电离通道达到传导的目的。表面闪络原理的本质原理与趋肤效应类似，都是指高频电流在物体外表面的一种放电形式和现象。该项技术与目前主流的防雷原理有一定的区别，主要在于现有防雷理论中主要提出雷电的拦截，而在物体外表面的闪络则是绝缘降低的表现，例如高压电力系统对于绝缘瓷瓶表面出现闪络则会导致对地短路的严重事故。而对于造成表面闪络的原因多是绝缘体或半导体表面出现污秽、水膜等情况降低材料表面绝缘，这种闪络是具有较高危害性的。有条件的利用表面闪络的特性，通过外部装置使其表面产生上行先导，吸引并传导雷电流；通过特定的方向将雷电流传导至大地，是一种技术手段和方法。导流条的技术原理是利用雷电流或高频电流的趋肤特性，人为的在绝缘材料表面增加一条利于闪络的放电通道。通过对早期和近年出现的不同材料分析，其核心原理都是建立闪络通道传导雷电流。进一步的分析可理解为在特定应用领域条件下的绝缘体、半导体表面采用分段结构的导流条可有效增加单位面积上的上行先导，造成有利于击穿导通的外部辅助条件，并且使雷电流通过在导流条表面以闪络的形式进行定向传导，达到有效导流和提高目标接闪器有效接闪率的目的。

　　

　　

　　为了减少和压缩因雷导致的叶片损坏问题，在河北公司沽源冰峰风电场对33台金风750机组的叶片进行防雷系统优化，在山东公司荣成项目6台机组进行了叶片防雷技改。

　　

　　参考文献：

　　

　　基于表面闪络放电技术的雷电流导流载体的研究 《电瓷避雷器》2016年第3期  庄严等