风力发电机叶片雷击损害机理及有效防护

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【摘要】各种家电的使用和购买量不断的增加，人们对电能的需求也不断的增加。风电机组的容量不断的扩大，风力发电的规模也不断的扩大，但是随之而来的是风力发电机的叶片遭受雷击的风险也不断的提高，叶片是整个的发电机中最容易受到伤害的组件。我国目前对于如何有效的对风力发电机的叶片进行防雷方面的研究还比较的稀少，研究的进展也不够多，。所以本研究主要的分析了风力发电机的叶片受损的几种情况，以及受损的机理。并且根据国内外的经验整理出了几种对叶片的保护措施，以期对我国的风力发电的叶片防护起到一定的积极作用。

【关键词】风力发电机；雷击损害；叶片防护

引言

风力发电机组的容量不断的增大，轮毂高度也从原来的50m左右升高到目前的150m多，一般的叶片的高度就长达30多m，由于一般的风力发电机都安装在比较开阔的低于，所以，风力发电机组遭受雷击的风险和概率就比较的高，在一般的雷击事件中，因为雷电的巨大功率而释放的能量能够使得风机的叶片发生爆裂、电机组的自动化控制和通信原件被烧坏以及电气绝缘被击穿等现象。在电机组遭受雷击的事件中，一般风机遭受损害最严重的是控制系统，占50%左右，叶片被损害的概率将近20，电气系统的占有25%左右，其他的发电机身等占有5%左右。目前我国在控制系统等的防护方面已经取得一定的进展，但是在叶片的防护方面却比较的落后。

1、风力发电机叶片结构和损害机理

1.1叶片结构

风力发电机的叶片是由一种复合材料制造成的薄壳结构。一般有根部、外壳和龙骨三个部分。常见的有尖头型、钩头型、平头型以及带襟翼等类型。根部的材料一般是金属制物，外壳的材料主要是玻璃钢，龙骨的材料一般是玻璃纤维增强型的符合材料或者是碳纤维的增强型复合材料。风力发电机组的设备昂贵，若叶片遭受损害会产生巨大的损失。据不完全统计，全球每年将近有2%的风机叶片遭受到雷电的袭击，一般的雷击只发生的叶尖部分，修理的费用比较的少，但是在很多的情况下，雷击会使得叶片发生爆裂的情况，这样就会使得要更换整个的叶片。因为叶片损坏而导致的严重后果是，风力发电机的电能损害和流失的最多，并且修理的费用也最大。

1.2雷击致使叶片损坏的机制

雷电的大功率释放巨大的能量，致使与之接触的叶片的局部机构温度急剧升高，使得气体因为高温而膨胀，局部的压力骤然上升而造成叶片的爆裂和破坏等情况。美国的科学家经过各种雷击的实验证明对于叶片都要采取防雷的措施。第二种损坏的机制是雷击造成的巨大声波，使得叶片的结构会遭受冲击而发生破坏的情况。科学家对叶片内的水蒸气的热膨胀进行了实际的研究，发现，水蒸气在电阻加热的情况下会产生体积膨胀的后果。不同的材料和叶片的不同部位都会发生不同的水蒸气分布。这样的不同体积和气压使得当叶片遭受雷击的时候会产生更严重的不平衡性导致叶片的不同部位发生不同程度的损害。损坏的情况包括爆裂、层裂、边缘开裂、纵向开裂、粘接处开裂、泄露以及油起火等情况[1]。若雷电在叶片内部产生了电弧也将会导致严重的损害，电弧现象可以出现在叶片内部的空气腔内也可能出现在叶片的表面，内部产生的电弧一般发生在叶尖部分或者是雷击处的内部导体间。

2、不同类型的损害

在带襟翼的叶片类型上，雷击的部分一般在襟翼的铰链上，该部件一般是不锈钢的材料做成。该部件经常会发生损坏，因为此处的钢丝截面不够大，不利于对雷电电流的传导。在剪头型的叶片类型中，雷击的地点一般都是在距离尖端最短的十厘米左右的范围之内。在产生雷击的时候，翻斗支撑轴边缘和叶片的根部固定的法兰之间会形成巨大的电弧，电弧产生的危害将会对叶片造成破坏性的打击。在全部用绝缘材料制成的叶片上，雷击一般是发生在叶尖部分。雷击的地点分布在叶片的表面长度上。绝缘材料制成的叶片也会遭受雷击的主要原因是在经过一段时间的使用之后，叶片受到污染而含有一定的水分，水是导体，所以在被雷击之后会发生导电的现象[2]。另外一种解释是，叶片的整个部分都是雷电击中风机时的导体，因此在叶片的表面进行放电相对与通过击穿空气来进行放电更加的容易。在有钢丝加入的叶片的类型上，雷击的地点也主要的是在叶片的尖端部分和翻斗的支撑轴的边缘。因为有钢丝的连接，所以在叶片的根部法兰间不会出现电弧的现象，但是在钢丝无法导流全部的雷电电流时也会产生一定程度的电弧。

3、防护措施

对于叶片的防雷保护，所采用的机理是通过将雷电的电流安全的从备雷击的部位传导至接地的轮毂之上，据此来避免叶片的内部因为雷电的袭击而产生电弧或者是击穿的后果。另外的一种机理是将导电的材料添加进叶片的表面材料部分，因此能够使得叶片本身就可以进行导电的工作，从而将雷电的电流经叶片传导到根部。主要的方法包括在叶片的表面或者是内部安装雷电保护的系统。以及将叶片的表面制作材料改成是导电型的材料。假如需要将叶片表面的金属导体当作是接闪器的系统，导体材料就需要有足够大的横截面积来承受雷击的电流，并且为了将金属导体长期的稳定的固定在叶片的表面上，需要规定的导体的尺寸。通过添加导电材料的方法可以是直接的将金属材料喷在叶片的表面上，也可以是将金属纤维加入到外层的叶片制造材料内部，也可以是将金属网放置在叶片的表面更可以是将金属线织进表面的符合材料之中[3]。所有这些方法采用的机理都是在发生雷击的时候，金属导体可以作为引下线将叶尖处产生的雷电引入地下，或者是对雷电进行拦截，从而防止雷电击中叶片的主体而使叶片遭受到损害。

4、结语

风力发电机的叶片是最容易遭受雷击的损害的部分。研究主要的分析了叶片的损害机理和损害的几种不同情况，并且根据分析和研究给出了几种能对叶片的防雷保护起到一定作用的建议，希望能够对整个的发电系统的改善和防雷的工作起到一定的推动作用。

参考文献

[1]叶吉强.风力发电机组防雷设计[J].硅谷，2011，03（18）：10-11

[2]孙曙光，张德生，林明.风力发电系统防雷方案分析与探讨[J].黑龙江科技信息，2010，03（06）：45-46

[3]蔡睿，史晓鸣.风力发电机组防雷保护系统电涌保护器（SPD）的计算和选用[J].能源与环境，2010，03（04）：85-86