关于某风电场叶片叶尖断裂事件的分析

金鹏

摘要：本文对某山地风电场风机叶片叶尖断裂原因进行了分析，指出了该型风力发电机组叶片的设计和选址缺陷。

关键词：风力发电机组;雷击;山地风电场;叶尖断裂

0引言

某风电场风力发电机组遭遇雷击，导致风机叶片叶尖发生折断，找到叶片招收雷击的原因为以后预防此类事件的发生提供了指导意义。

1 事件经过

2020年4月24日，某风电场发生局部雷雨天气，现场大雾，能见度10米至20米，风电场平均风速为3.68m/s。 2020年4月25日，天气晴，风电场在巡检过程中发现12号风机2号叶片叶尖发生损坏，此时12号风机处于停机状态。

2 风机现场检查情况及工作记录

2.1现场检查情况

2.2.1 现场检查发现12号风机2号叶片叶尖整体被打掉，叶尖的接闪器丢失，引雷导线外露。蒙皮和叶尖腹板掉在风机平台（图3、图5），叶尖外蒙皮因雷击时温度过高，红色油漆瞬间碳化（图4）。

2.2.2 12号风机登塔检查情况

登机检查轮毂内部2号面的避雷导线、集电环、碳刷、不锈钢避雷支座、避雷导线、机舱至塔基接地线及接地线与地网连接未发现异常。

2.2 风机工作记录

查12号风机接地电阻测试及最近一次避雷检查记录，气象局于2018年8月21日对风电场12号风机接地网进行了接地电阻检测，其接地电阻为3.56Ω，小于4Ω的设计值;2018年11月30日由风机叶片专业队伍完成了】12号风机叶片下吊篮检查，对叶片的回路电阻进行测试，测试值为49.5mΩ，低于50mΩ的设计值;2019年9月5日由高压预防性试验单位对12号风机地网进行了接地电阻检测，其3次的测试值均小于4Ω的设计值;2020年3月5日对12号风机组织开展了避雷系统专项检查，避雷系统及叶片未发现异常。

3 XE82-2000型风机防雷简介

12号风机的叶片是中航惠腾生产的HT40B型叶片，每片叶片上安装3个接闪器;叶片避雷回路与轮毂避雷回路是通过碳刷与弧形板滑动连接;轮毂与主轴承通过碳刷连接。

湘电风能系列风机避雷系统由外部直击雷防护系统和内部感应雷防护系统组成。

风机外部直击雷防护系统主要由轮毂避雷系统、机舱避雷系统、塔筒避雷系统、塔基避雷系统和基础接地网五个部分组成。其中轮毂避雷系统与机舱避雷系统通过碳刷相通，机舱避雷系统通过机舱接地汇流排与塔筒避雷系统相连，塔筒避雷系统和塔基避雷系统与基础接地网通过塔筒底部接地汇流排相连。

轮毂避雷系统又分为两部分，叶片避雷系统和轮毂避雷系统。叶片避雷主要通过接闪器、避雷导线、碳刷与轮毂的避雷系统相连接。轮毂避雷则直接利用碳刷将雷电从轮毂引至发电机定子支架再通过避雷导线引至机舱接地汇流排。

机舱避雷系统主要由发电机外壳、发电机定子支架、机舱避雷针、机舱接地汇流排和机舱至塔筒底部接地汇流排之间的避雷导线组成，相互之间通过50mm²的多股软铜线相连。

风机塔筒高80米，分为3节，塔筒与塔筒之间通过法兰连接，因法兰连接之间涂有密封胶，固塔筒与塔筒之间通过法兰接地线相连。雷电在塔筒的传输路径主要是通过法兰接地线将雷电引入塔筒底部接地汇流排。

塔基避雷主要是变压器、变频器、水冷控制柜、塔基控制柜等设备的避雷，其避雷主要通过屏柜或设备的外壳接地与塔筒底部接地汇流排相连实现。

4 风机防雷的困难

4.1 风电场中的风力发电机组相互电连接且往往位于接地条件不好的区域。风力发电机组都设置在风力强大的地区，例如12号风机这种典型的山脊，而这些地区正是雷电多发区。由于都愿意将风力发电机组设置在高于周围地区的制高点，并且远离其他高大物体，因此它更加能吸引雷电。12号风机海拔为1878米，是周围临近12台风机中第二高的风机。

4.2 通常，现代大型风力发电机组的叶片用复合材料制成，例如用玻璃纤维增强塑料或木材层压板。由于这些材料不能传导雷电流，用这类材料制造的叶片，且未加防护，雷击时总是出现损坏。因此，对这类叶片作防雷要求是重要的。

5 原因分析

12号风机叶片在雷暴天气下遭受到雷击。接闪器接到雷电后经引下线泄流，由于本风机引下线存在机械损伤，材质采用多股铝导线，泄流能力较 铜导线弱，加之导线绝缘内部受潮、氧化、电阻增大，导致发热。在 电、热和电动力效应的联合冲击下，引下线在距接闪器 1 米左右处断开。此时雷电流无法通过引下线释放能量，雷电流在叶片内部对梁帽 放电，在梁帽的边缘复合材料处形成电弧通道，因为梁帽边缘复合材 料受潮，内部电弧加热潮气引起压力冲击，使梁帽和腹板在距叶根三 分之一处分离断裂。叶片蒙皮沿前、后缘分成两片垂到风机两侧。

6 叶片问题

6.1该风场机组每片叶片接闪器数量为 3 个，12号风机的叶片长度为40.3m，根据《风力发电机组雷电防护系统技术规范（NB/T 31039—2012）》所出的标准，对于叶片长度30m≤L<45m的风机，叶尖端接闪器1个，压力面接闪器2个，吸力面接闪器2个（分布在转动的叶片上）。12号风机的接闪器数量明显偏少，不满足要求，且根据历年来的雷击记录，的风机历史雷击造成叶片损坏次数明显高于其他区域的风机，且发生雷击的风机绝大多数为高海拔风机。12号风机所处区域，历史发生过4次风机叶片被雷击事件，证明此区域是雷暴频发区域。

6.2引下线材质，风机叶片的引下线材质为铝。国标 GB/Z 25427-2010《风力发电机组 雷电防护》中给出两种常用材质铝、铜两者电阻率。同种长度、截面积的导线，铝导线电阻是铜导线的 1.63 倍，铜导线较铝导线的载流能力要强。标准描述 B 型叶片引下线材质为铜丝，采用铝线明显不如铜丝通流能力强。

参考文献

[1]NB/T 31039-2012. 风力发电机组雷电防护系统技术规范[S]. 2012.

[2]刘靖，张润华.风电场运行维护与检修技术[M].化学工业出版社，2015.

[3]GB 50057-2010. 建筑物防雷设计规范[S]. 2010

个人简介：金鵬，1993年10月，男，汉，湖南邵阳人，本科学历，助理工程师，研究方向：风电运维。