风力发电机组叶片雷击损伤及防护措施

马磊

摘要：近几年新建的风电场大多数都选址在高山上，地形复杂，雷暴日较多，随之而来的是风力发电机组叶片受雷击的风险也进一步加大。叶片在风电机组中位置最高，是雷击的首要目标，是最容易受到雷击损伤的部件，因此叶片是整个风电机组防雷保护的重点。对此，该文就风力发电机组叶片雷击损伤的机理及防护措施进行简单的分析，并提出一些可供参考的意见与措施。

关键词：风力发电机组叶片雷击防护

中图分类号：TM315文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2022）01（a）-0000-00

Lightning Damage of Wind Turbine Blade and its Protective Measures

MA Lei

（Three Gorges new Energy Shidian Power Generation Co.， Ltd.， Baoshan， Yunnan   Province，678200  China）

Abstract：In recent years， most of the newly-built wind farms are located on high mountains， with complex terrain and more thunderstorm days， followed by the further increase of the risk of lightning stroke on the blades of wind turbines. The blade is the highest position in the wind turbine， which is the primary target of lightning stroke and the component most vulnerable to lightning damage. Therefore， the blade is the focus of lightning protection of the whole wind turbine. In this paper， the mechanism and protective measures of lightning damage to wind turbine blades are briefly analyzed， and some suggestions and measures for reference are put forward.

Key Words：Wind turbine; Blade; Lightning strike;Protect

雷击是对风电机组安全稳定运行危害最大的一种自然灾害。闪电释放的巨大能量会对风机叶片造成损坏。根据IEC/TC88工作组的统计，遭受雷击的风电机组中，叶片损坏的占20%左右。叶片是风力电发电机组最重要的部件之一，也是所有部件中最容易受到雷击的部件。大部分雷击事件只是损坏叶片的叶尖区域，少量的雷击事件会使整个叶片损坏。因此，叶片的防雷措施非常重要。

1 风力发电机叶片结构和损害机理

1.1 叶片结构

现代叶片是用复合材料，比如釆用玻璃纤维增强塑料、木材、层压板以及碳纤维增强塑料等制成的大型中空结构件。碳纤维增强塑料通常用于叶片增强结构。或特殊部件，例如用于连接叶尖制动器（失速型叶片）的碳纤维轴。

根据所采用的控制和制动方式以及所采用的绝缘和导电复合材料，叶片可以分为几种类型。根据不同的制动机构给出5种，如图1所示。

类型A叶片在前缘使用襟翼（副翼）制动系统。对于A型葉片，雷击点通常都是在钢质钗链处，通常， 用于操作襟翼的钢缆通常是受损最严取的地方，因为钢缆截面通常不足以传导雷电的冲击电流。

类型B叶片采用一套通过弹簧力保持工作位置、高速旋转离心力释放制动的叶尖制动系统。对于B型叶片，雷击附着点主要限于距离叶尖轴外沿几十厘米的地方，或者位于叶尖轴最远端点的侧面。从雷击附着点开始直到叶尖轴的端点外沿的叶片叶尖部分，将会形成一个雷电电弧;在主叶片内部，直至叶片根部的钢质安装法兰处，将会形成一个电弧。这种内部电弧不可避免地会导致对叶片的损伤。A型和B型叶片通常用于老式的风力发电机组，机组容量在100kW。

C型叶片是一种釆用钢丝绳控制的叶尖制动器的叶片。对于C型叶片来说，雷击附着点常见于距离叶片外缘最远端十几厘米的地方，或者位于叶尖轴端点最外沿的侧面。对于C型和B型叶片来说， 在雷击附着点与轴的外沿形成雷电电弧将会导致严重损伤。对于C型叶片来说，对于主叶片的损伤主要是在钢丝绳无法承载雷电电流所导致的。

D型叶片完全由非导电材料制成。经验显示，雷击附着点通常位于叶尖，这一点与其他类型的叶片相同。与其他类型的叶片相比，其不同之处在于，雷击附着点可能会沿着叶片呈随机性分布。

E型叶片中的部分构件采用碳纤维（碳纤维部件）材料制成，因为这种材料具有理想的机械特性。取决于具体设计，碳纤维材料可以用于增强叶片表面，用于承载的结构部件，以及内部翼梁和主层压件。由于其具有良好的电性能，可以将其集成到雷电保护系统，构成引下线系统的一部分。

1.2 叶片损伤机理

当叶片受到雷击时，会释放巨大的能量，进而使叶片的温度急剧上升，叶片由于受到高温影响迅速膨胀、压力大幅上升从而出现爆裂现象。相关研究人员对叶片内水汽的热膨胀进行了测试，发现水蒸气在电阻加热情况下气体机会迅速上升，由于叶片内部不同材质、不同结构的水蒸气分布差异较大，因此很容易在遭受雷电后出现急剧膨胀的现象，从而造成叶片损害，如边缘开裂、黏结处开裂、纵向裂纹等，严重时叶片部分甚至会全部损坏。在一些较为特殊的条件下，压力波甚至会沿着被雷击袭击的叶片传播，通过风机轮毂进一步传导至另一叶片，造成多个叶片的故障。其次，风机叶片中位于叶片内部的导体与叶片尖部的雷击点一般是内部电弧出现的位置，其受损位置主要集中于叶片尖端区域，主叶片并不会受到损伤。雷击造成的叶片损坏通常分为电效应、热效应以及机械效应。叶片开裂（机械破坏）、金属部件熔化或烧坏及复合材料表面灰化（热效应）是叶片遭受雷击之后较为典型的损坏方式[1]。

因此，对叶片造成严重损伤的原因，就是由于在叶片内部围绕雷电电弧所形成的冲击压力波。只有通过减轻雷电对叶片的冲击、将雷击通道屏蔽在叶片外部才可以减轻叶片的损毁。在雷电电流通过截面积不够大的金属构件传导时，所形成的损伤将比较轻微[2]。

2 防护措施

叶片雷电保护的一般性问题就是将雷电电流从附着点传导至轮毂，以避免在叶片内部形成电弧。这可以通过使用固定在叶片表面或叶片内部的金属导体，将雷电电流从附着点沿叶片表面导引至叶片根部来实现。另外一种方法就是在叶片表面材料中添加导电材料，从而使叶片具有足够的导电性能，以便将雷电电流安全地传导至叶片根部[3]。

2.1 叶片表面或内嵌在叶片表面的雷电接闪器系统

叶片表面上用作接闪器系统或引下线系统的金属导体应具有足够的横截面，以便能够承担直接电击，将雷电电流完全传导出去。此外，还需要某些特殊规格的导体，以便能够可靠地固定在叶片表面。对于铅制雷电接闪器来说，最小横截面积为50 mm2，对于这种规格的导体来说，要实现在叶片表面的可靠连接可能会是一个难题。此外，安装在叶片表而的导体可能会损害叶片的空气动力学性能，或产生不希望的噪声。

对于嵌入在叶片内部的避雷导体来说，通常采用铝制或铜质导线或编织物。将金属导体连接到叶片根部，通常是将其放置在叶片表面沿叶片后缘的位置或者是嵌入在叶片后缘。有一些叶片设计沿叶片前缘与后缘都设置金属导体。此外，一些叶片设计中含有金属接闪器，该接闪器设置在叶片表面，并安放在叶片上的各个位置。每个接闪器都被连接至叶片内部的导体。

2.2粘附金属带和分段分流条

几个案例中都使用了装置在叶片表面的粘附金属带。采用金属带来解决雷电防护问题将是一个有吸引力的解决方案，特别是作为一个对现有未加保护的叶片进行升级、改造的方法。但应当注意的是，大规模的压力冲击波通常都是与将雷电导引至叶片表面相关联的。这可能会导致对叶片造成结构性损伤。过去一段时间，人们进行了一些分段导流条实验，其试验结果颇具前景。这些分段导流条被用于飞机的雷达罩上，因为它们不会对雷达信号产生干扰。

2.3内部引下线系统

与将导体放置在叶片表面相对应的另外一种解决方案就是将雷电导体安置在叶片内部。导体的金属配件将会穿透叶片表面，用以作为离散式雷电接闪器。目前，这种雷电保护系统已经被用在飞机上。

对于目前所生产的许多叶片，其所釆用的雷电保护系统都是在叶尖安装接闪器。一条内部引下线将雷电电流从接闪器传导至叶片根部。对于配备了叶尖制动系统的叶片来说，控制叶尖的钢丝绳被用作引下线。如果叶片没有叶尖制动系统，那么沿内部翼梁安装的一条铜质导线将被用作引下线。

2.4 将导电材料应用到叶片表面

一种将雷电接闪器系统端接在叶片表面的替代方案就是让叶片表而也具有导电性。在航空工业，已经实现了通过采用玻璃和碳纤维复合材料，并在外层中添加导电材料，从而实现暴露于雷电的机翼和表面的雷电防护，以降低对雷击附着点区域的损伤。所使用的导电材料可以是喷涂在表面的金屬，在复合材料外层所喷涂的金属纤维涂层，编织在复合材料外层中的金属导线，以及安装在表面下的金属网。对叶片的雷电保护是通过在胶衣下沿叶片表面安装金属网来加以实现。有时候，叶尖要么是使用金属制成，或使用金属板进行覆盖[4]。

3 实际案例

以某风电场风机叶片加装防雷网工程为例。

3.1工程概况

该风电场位于高山山脊上，山脊为南北走向，长约12 km，高程在2 500 m～2 900 m之间，场内以高山草地为主。风电场共安装24台风力发电机组，单机额定功率为2.0 MW，机型为水平轴、三叶片、上风向、变桨、变速、恒频双馈风力发电机组，叶轮直径110 m，轮毂高度85 m。并配套建设一座110 kV升压站，所发电能通过110 kV线路接入电网[5]。

2017年到2018年，该风电场频繁发生风机叶片遭雷击事件，导致风电机组长时间停运，累计年平均发生7台次，给设备的安全稳定运行带来较大影响。当风机叶片遭雷击后，轻则被灼伤重则开裂;如果现场维护人员没有及时发现叶片损伤时，风机持续运行将存在巨大的安全隐患（倒塌）。该风场风机叶片仅在根部至叶尖25 m、36 m、42 m共3处安装了金属接闪器，以便风机叶片遭雷击时将雷电能量导入大地。但风机叶片运行时遭雷击点不在以上三个部分和叶尖（金属部分，也可导流）时，将会对风机叶片造成巨大损伤。为了减少风机叶片被雷击的次数，降低雷击的损伤，减少电场运维成本及电量的损失，对全场24台风机叶片加装防雷网，使叶片起到保护作用[6]。

3.2技术方案

在风机的三支叶片叶尖接闪器连接处加装避雷金属网。使用记号笔和尺子，确定避雷金属网安装位置，并做好标记。将连接叶尖接闪器壳体表面打磨粗糙。在壳体表面刮涂一层结构胶，铺设避雷铜网（见图2），并辊压，使避雷铜网和壳体黏结。在叶尖放置铝条并在避雷网和铝条上表面糊制一层表面毡。用M8的电钻将铜片进行打孔—用M10的丝锥进行攻丝—拧入铝制螺栓（图3），为保证铜板连接牢固，铜板采用2颗螺栓连接到接闪器上。

对风机叶片加装防雷网后运行情况进行分析，风机叶片遭雷击故障停机次数由7次/年降为2次/年，下降率为71.43%，降低了现场风机叶片因雷击导致的故障停机次数后，同时也降低了风机因雷击导致的故障停机时间，减少了发电量的损失，为公司增加了经济效益。为风力发电机组的安全可靠运行提供了有利条件[7]。

4结语

该文分析了叶片雷击损坏的现象与机理，阐述了叶片防雷击的措施，以及降低叶片遭受雷击的概率与损毁程度。实际案例证明，在叶片尖部区域安装金属网能够提高拦截效率，减少雷击次数，对保护风机叶片，提高风机稳定运行起到了非常重要作用。风机叶片是最易受雷击的部件，并且价格昂贵，因此叶片是整个风力发电机组防雷保护的重点，必须引起广大技术人员的高度重视。

参考文献

[1]朱焕芬，王林，孙立宾.风力发电机组的防雷设计[J].东方电气评论，2013，27（3）：44-48.

[2]苑东雨.风力机组的防雷重要性和防雷措施[J].湖北农机化，2019（22）：91.

[3]仇艳龙.风力发电机叶片雷击损害机理及有效防护[J].科技与企业，2013（17）：283.

[4]薛浩鹏，刘孟，杜鸣心，等.风电叶片接闪器腐蚀前后的雷击损伤机理仿真研究[J].天津科技，2020，47（8）：47-50，54.

[5]岳彦山，武静，袁维瀚，等.陆地上风电叶片雷击损伤研究[J].江苏科技信息，2020，37（33）：36-38.

[6]张黎，姜力杨，盖歆楠，等.风机叶片材料雷击热损伤特性及损伤机制的分子动力学研究[J].中国电机工程学报，2020，40（3）：1009-1020.

[7]姚丙义.永磁直驱风力发电机组的防雷接地保护探讨[J].现代商贸工业，2019，40（13）：180-181.