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风电叶片的防雷技术及应用

文档作者: 曾明伍 赵萍 钟贤和 李杰        文档来源: 东方汽轮机有限公司
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Evaluation Only. Created wit Copyright 2002-2019 Aspose Pty Ltd 東蛤13 DONGFANG TURBINE 风电叶片的防雷技术及应用 曾明伍赵萍钟贤和李杰 (东方汽轮机有限公司,四川德阳,68000) 摘要:风电是新兴的清洁能源,随着风电场单机容量逐渐增大,轮毂高度和叶轮直径增加,也增加了风电机组被雷击 的风险,由于雷电的随机性,只能采取防雷措施减小雷击概率。风电机组雷害中,叶片遭受直击雷的损失最大,因此叶 片的直击雷防护是风电机组防雷中最重要部分。文章对雷电原理、雷击风险评估、叶片雷击损坏机理以及防雷措施进行 了较全面的阐述,为设计叶片防雷系统提供依据。 关键词:风电叶片;直击雷防护;雷击风险;接闪器 Lightning Protection Technology and Application of Wind Turbine Blade Zeng Mingwu, Zhao Ping, Zhong Xianhe, Li Jie (Dongfang Turbine Co., Ltd. Deyang Sichuan 618000) Abstract: Wind power is a new clean energy, as wind turbine capacity is enlarged gradually, the hub height and rotor diameter are both larger, then the risk of lightning damage for a wind turbine is increased. Due to the randomness of lightning, some measures are taken to reduce the probability of wind turbine lightning damage. The direct lightning damage is maximum in all the wind turbine lightning damage, therefore the direct lightning protection is the most important part of wind turbine lightning protection. The theory of lightning, evaluation of the risk of lightning damage, blade lightning damage mechanism and lightning protection measures are discussed in detail, as the basis for lightning protection system design. Key words: wind turbine blade, direct lightning protection the risk of lightning striking, receptor 120m。塔筒是风场中最高的建筑物,在风电机组 0引言 的20年寿命期内,总会遭遇到几次雷电直击。今 后我国将可能要大力发展5MW级以上的海上风电 我国的风电场从年平均雷电日较少的新疆和机组,随着功率增大,雷害造成的经济损失也愈 内蒙开始发展,当初是450kW级以下的风力机,来愈大,因此风电机组的雷害问题引起了风电行 塔筒高度及风轮直径较低,因此雷害并不突出。业人员的高度重视。 目前,随着MW级大功率的风电机组成为风场的 主力机型,大功率风力机的塔筒高度已经超过1雷电原理 作者简介:曾明伍(1983-),男,工程师,2006年毕业于西安交通大学飞行器制造工程专业,主要从事风电叶片的设计工作 with Aspose.PDF. Copyright 2002-2019 Aspose Pty Ltd. 14楼 DONGFANG TURBINE 容易形成上行雷,与上行雷相关的起始连续电流 1.1雷电的形成 转移的电荷量可以高达3000库仑,风力机高度增 空中的尘埃、冰晶等物质在大气运动中剧烈加上行雷造成的风力机雷害也增加,当风塔高度 摩擦生电以及云块切割磁力线,在云层上下层分超过100m时上行雷击的概率大大增加。据统计, 别形成了带正负电荷的带电中心,运动过程中当高度超过60m的建筑物往往会发生侧击,即有一 异性带电中心之间的空气被其强大的电场击穿部分雷电击中建筑物侧面而不是建筑物顶部。风 时,就形成放电。对风电场运行带来危害的主要电机组的雷害与其它建筑物不同,有自己的特 是云地放电,带负电荷的云层向下靠近地面时点,也就决定了风力机容易遭受雷击的特性: 地面的凸出物、金属等会被感应出正电荷,随着 (1)风电机组是高度超过150m的高大构筑 电场的逐步增强,雷云向下形成下行先导,地面物; 的物体形成向上闪流,云和大地之间的电位差达 (2)风电机组设置在高于周围地区的制高 到一定程度(25~30kV/cm)时,即发生猛烈对地点,并且远离其它高大物体,因此它更加容易吸 放电。 引雷电 (3)风电机组都设置在风力强大的地区,例 1.2雷电的主要特点 如海岸、丘陵、山脊等荒郊野地,而这些地区正 雷电参数包括峰值电流、转移电荷及电流梯是雷电多发区: 度等,主要特点如下: (4)风电机组往往位于接地条件不好的区 (1)冲击电流大:其电流高达几万~几十万域: 安培 (5)风电机组的许多暴露部件如叶片和机舱 (2)时间短:雷击分为三个阶段,即先导放罩,主体都由不能导电的复合材料制成 电、主放电、余光放电,整个过程一般不超过 (6)叶片和机舱是转动的。由于雷击的连续 60微秒; 性,一次闪电(持续时间1s)包含多个不连续的 (3)雷电流变化梯度大:雷电流变化梯度雷击,当叶片旋转时,类似有多只叶片暴露在雷 大,有的可达20千安/微秒 击中; (4)冲击电压高:强大的电流产生交变磁 (7)雷电流必须通过风力机的防雷系统结构 场,其感应电压可高达上亿伏。 传至大地,因此大部分雷电流将流经所有风力机 部件。 1.3雷电的破坏 风力发电机组是风电场的贵重设备,价格占 设备遭雷击受损通常有四种情况:一是直接风电工程投资60%以上。若其遭受雷击,除了发 遭受雷击而损坏:二是雷电脉冲沿着与设备相连电量损失,还要负担受损部件的拆装和更新的巨 的信号线、电源线或其他金属管线侵入使设备受大费用。据丹麦LM公司资料介绍:1994年,雷害 损;三是设备接地体在雷击时产生瞬间高电位形损坏超过6%,修理费用估计至少1500万克朗(当 成地电位反击而损坏;四是设备安装的方法或安年丹麦装机540MW,平均2.8万克朗MW,1克朗 装位置不当,受雷电在空间分布的电场、磁场影 ≈1.25人民币)。按LM公司估计,世界每年有 响而损坏。 1%~2%的叶片受到雷电袭击。所以,雷害是威胁 风机安全经济运行的严重问题。 2风电机组的雷害 雷击通常有三种形式:直击雷、感应雷、球 形雷。由于叶片高度最高,是最易受直击雷的部 2.1概述 件。叶片一旦遭到雷击,损坏就会比较严重,叶 根据雷电机理,雷云在风场上空时,风力机片维修费用很高,同时风电场停止运行的损失也 Evaluation Only.C PDF. Copyright 2002-2019 Aspose Pty Ltd. 東蛤15 DONGFANG TURBINE 很大。因此,风轮叶片的雷害造成的直接和间接地进行风电机组的防雷设计 经济损失都是很大的,叶片的雷害也就最引人关 注。 3.1闪电发生频率的评估 雷击风险分析的第一步是评估闪电的发生频 2.2影响风电机组遭雷击的因素 率,在评估闪电发生频率时,必须先收集描述当 影响风力发电机组遭雷击的因素主要分为自地地面闪电密度(N)的数据,如果不知道地面 然条件和人为因素,自然条件因素主要指风力发闪电密度,可以用式(1)估算: 电机组所处的地理位置、海拔、地质条件、雷暴 N=0.04×T 1) 活动等,人为因素主要是风力发电机组的接地系 统。 式中: 2.2.1接地电阻 N一每平方公里的年平均地面闪电密度; 风力发电机组如果在高接地电阻下运行,可 T一年平均雷雨天的数量。 能产生地电位飘移,而潜在的隐患就是增加雷击 风力机遭受直接闪电袭击的年发生次数可以 风险。目前,国内的风机制造企业提出的接地电用式(2)估算: 阻一般在2到4之间,维斯塔斯、歌美飒等国 XA XC10 (2) 外公司一般推荐2的接地电阻。 式中: 2.2.2机组相对高度 N一风力机遭受直接闪电袭击的年发生次 机组越高,遭雷击的概率越大,同时机组越数 高造成大气的等电位分布畸形越大,容易形成上 N一年平均地面闪电密度; 行先导,增大雷击风险。 A一风力机遭受直接闪电袭击的等效面积; 2.2.3气象条件 雷暴活动越频繁,风电机组遭雷击的概率越 C一环境因素,在平原地区的风力机取C= 大,因此在雷雨天气,更要加强风力机的防雷保1,位于山区的风力机取C=2 护。 风力机的等效面积定义为与风力机有相同直 2.2.4整机工艺 接闪电年发生次数的地表面积,风力机的等效区 风力发电机组基本由钢结构部件组成,如塔域为一个圆,其半径为3倍风力机高度(见图 筒、发电机、齿轮箱、轴承等,当机组遭到直击1),h为风力机的有效高度。 雷时,整机电位瞬态抬升,雷电流通过叶片变桨 斜度1:3 轴承、轮毂、主轴、偏航轴承、塔筒、基础环向 大地泄放电荷,塔筒上将产生几千伏甚至上万伏 的瞬态电压,如果整机中某部分的等电位工艺所 采用接地线的阻抗不一致,则有可能造成阻抗较 图1风力机的等效面积 低端因高电位反击击穿造成设备损坏。 因此可以由公式(3)估算平原地区风力机的 闪电年发生次数。 3雷击风险评估 N=n9h2×10 (3) 雷击风险与风电机组的高度、所在地形和当3.2雷击风险评估 地雷暴活跃程度等有关。防雷系统的目的是将雷 完成对风力机的闪电发生频率评估后,必须 电损坏降低到允许的等级范围内,减小经济损选择一个合适的防雷系统,如果雷击事故危及人 失。在进行风电场选址时,应该收集该地区的资身安全,必须由国家或当地法定权威机构规定允 料,首先进行雷击风险评估,才能因地制宜更好许的危急事件年发生次数,当雷击事故仅造成了 th Aspose. PDF. Copyright 2002-2019 Aspose Pty Ltd. 16 DONGFANG TURBINE 经济损失时,可以由业主规定允许的危急事件年 N=nx9h2×10 发生次数。 N=0.2×9元(90)2×10 允许的危急事件年发生次数(N)必须大于 或等于风力机遭受直接雷电袭击的年平均次数乘 N=0.046year 以1减去防雷系统效率(1-E)的乘积。 危急事件的年发生率小于1/1000,因此可得 N>n×(1-E) (4)防雷系统的效率。 其中: E>1- N E一防雷系统效率; 10-3 N一风力机遭受直接雷电袭击的年平均次 E>(1-0.046)×100% 数; E≥97.8% N一允许的危急事件年发生次数。 该区域风力机防雷系统的效率至少为97.8%, 防雷的效率是拦截效率(拦截闪电的能力)所以该风力机的防雷系统必须按I级设计。 和尺寸效率(传导雷电电流的能力)的乘积。最 小的防雷系统效率可用式(5)定义: 4叶片的防雷 E>1- (5) 4.1叶片遭雷击的损坏机制 C6140024规定了四种防雷系统等级(见表大部分雷击事故只损坏叶片的叶尖部分,整 1)。 只叶片损坏的情况较少。雷击造成的叶片损坏主 表1防雷系统等级 要有热效应和机械效应,包含以下几方面: 等级拦截效率尺寸效率 效率 (1)叶片遭受雷击时,大多数的电荷转移都 0.99 0.99 098 IⅡⅣ 发生在持续时间较长而幅值相对较低的雷电流过 0.97 0.98 0.95 程中,强大的雷电流使叶尖结构内部的温度急骤 0.91 0.97 0.90 0.84 0.97 0.80 升高,造成复合材料灰化和雷击点金属零部件的 从物理意义上讲,防雷系统的效率越高,导熔化风电叶片的损坏在很多情况下与此热效应 体的直径越大,接地系统越大(改善尺寸效有关。 (2)叶片内部水分受热汽化膨胀,产生很大 率),雷电拦截点的数量增加或间隔减小(改善 拦截效率)。根据电流、能量、电流上升速率和的机械力,造成叶尖结构爆裂破坏,严重时使整 电荷传递水平来得到不同的防雷系统尺寸效率个叶片开裂 (3)在叶片内部形成电弧,空气中的电弧会 (见表2)。 存在于叶片内的空洞和叶片表面,电弧产生的膨 表2防雷等级对应的雷电参数值 胀过压与雷电流波形有关,其燃弧过程中的强烈 保护峰值电流能量电流上升平均电荷传递 等级kakJ 速率kA/ 总量C 高温将对叶片产生极大的破坏。 120010000 200 300 (4)雷电流传到复合材料层之间时,因为层 Ⅱ1505600 150 225间有潮气,内部电弧加热潮气引起压力冲击使叶 Ⅲ1002500100 150 片爆裂或使叶片表面沿着前后缘和叶片主梁位置 撕裂损坏。 3.3范例 (5)雷击造成的巨大声波,对叶片结构造成 一台轮毂高度为60m和风轮直径为60m的风力冲击破坏。 机,位于平原地区,每年每平方公里的地面闪电 (6)雷电流流过叶片会产生很大的电磁力, 密度为0.2,可以估算出闪电频率。 有可能使其弯曲甚至断裂。 古17 DONGFANG TURBINE 质的叶片在运行一段时间后,由于表面的污浊和 4.2叶片结构 盐雾侵蚀,叶片的表面等效于导体材料,这种叶 目前,风力发电机组的叶片都是由复合材料片也会经常遭到雷击。 制成的大型中空结构,如玻璃纤维增强复合材 料、木材、复合板材和碳纤维增强塑料等。丹麦4.3叶片防雷措施 LM公司曾经研究过叶片的雷电损害,研究人员进 叶片防雷的基本问题是将叶片上的雷电流引 行了一系列的仿真测试,结果表明叶片全绝缘并至轮毂,通过轮毂与塔筒的等电位联接系统将雷 不减少被雷击的危险,而且会增加损害的次数电流泄放,避免叶片的损坏。主流的方法有两 这也是必须对叶片进行防雷保护的重要原因。根种:一种是在叶片的表面或内部安装金属材料将 据叶片的控制和制动方式,可分为四类(见图电流从叶尖引至叶根通过叶片轮毂的联接泄流, 2)。 如图3中A、B、C类;另一种是在叶片表面添加导 D 电材料,使雷电流在叶片表面传导,避免叶片的 损坏,如图3中D类。 接闪器BC 副翼 钢丝 钢丝 钢丝 图2不同类型的叶片 4.2.1A型叶片 A型叶片将前缘外部的一个副翼用于制动, 雷击点较多的出现在副翼的钢铰接位置,因为控 图3叶片的不同防雷措施 制副翼的钢丝没有足够的导流能力,会造成控制 副翼的钢丝熔断。 4.3.1叶片表面或者嵌入叶片表面的接闪器 4.2.2B型叶片 在叶片表面安装接闪器或引下线必须有足够 B型叶片采取了叶尖制动的方式,通过弹簧控的截面积,才能够承受雷电流,一般使用的铝质 制叶尖,同时叶尖也是雷击的接闪点,当雷电通接闪器的截面积不小于70mm2,引下线的截面积 过叶尖接闪后,在叶尖转轴的端部到叶片法兰之不小于50mm2。但是将接闪器固定在叶片上存在 间形成电弧,这种电弧将造成叶片的整体爆裂。 一定问题,在叶片转动时接闪器容易脱落,同时 4.2.3C型叶片 有可能影响叶片的气动特性,产生不必要的噪 与B型叶片相比,C型叶片是具有叶尖制动的音。对于嵌入叶片表面的接闪器或引下线,常见 新型叶片,通过钢丝控制叶尖。这种叶片内部造方式见图3中C类,沿着叶片前缘和后缘植入叶片 成的电弧张力相对损失会更严重,为了避免这种表面。 情况,叶片内部使用的钢丝直径大于10mm,加强4.3.2粘贴金属箔和分段式避雷带 钢丝的通流能力,所以这种叶片在遭雷击后较少 在国外有些风电叶片防雷处理中使用了在叶 出现整只叶片爆裂的情况。 片表面粘贴铝箔的方式,这种方式唯一的问题就 4.2.4D型叶片 是无法长时间可靠固定,在粘贴几个月后就会脱 D型叶片是完全的非金属材料制成的,公司落,如果能够解决固定的方式,这种方式将成为 叶片全为该型叶片。有试验表明,这种非金属材以后有效且成本低廉的措施,并且可以解决现有 ly. Created with Aspose. PDF. Copyright 2002-2019 Aspose Pty Ltd. 18 DONGFANG TURBINE 风力发电机叶片没有防雷措施的问题。分段式避低叶片损坏概率,因此叶片必须安装接闪器。另 雷带的提出是基于飞机用雷达天线罩的试验,但外,长叶片的雷击点不一定是叶尖接闪器,长于 其接闪能力没有准确的测试数据支持,所以在风30米的叶片,至少应安装两个以上接闪器。 电叶片上一直没有应用。 下面以公司DF77B型叶片为例,详细介绍叶 4.3.3内部引下线 片的防雷系统。叶片的防雷系统由雷电接闪器和 这是一种传统的叶片防雷措施,主要是在叶雷电传导部分组成,雷电接闪器安装在叶片尖 尖安装金属接闪器,将面积足够的金属导线预制部,即叶片最可能被袭击的部位,接闪器可以经 在叶片中,雷电流通过接闪器、金属导线传至叶受多次雷电的袭击,损坏后也可以方便地更换。 根。包括公司叶片在内的大多数叶片均采用这种在叶片内部,雷电传导部分将雷电从接闪器导入 方式进行防雷(见图3中A、B类)。 叶片根部的金属法兰,通过轮毂传至机舱。 对于有叶尖刹车的叶片,可将控制叶尖的钢4.4.1防雷等级 质导线作为下引导线(A类)。如果叶片没有叶尖 叶片的防雷等级为1级,详细雷电参数见表 刹车,可以沿着叶片内部的主梁布置金属导线作2 为下引导线(B类)。 4.4.2接闪器 4.3.4表面导电材料 叶片上安装两个接闪器,一个位于叶尖,一 导电金属材料可以喷涂到复合材料表面,或个位于叶片中部,接闪器的平均直径为32.5mm, 者是位于复合材料表面的金属网,风电叶片的防横截面积为830mm,满足设计要求。 雷系统中已经采用过金属网,沿着叶片壳体两 (1)叶尖接闪器 侧,将金属网植入胶衣层下面(见图3中D类)。 叶尖接闪器离叶尖顶部大约300mm(见图 也可以用金属片覆盖叶片表面,或将叶尖部分直 接用金属材料制造。 4)。 4.4叶片防雷系统设计 风电机组的防雷分为直击雷防护和雷电电磁 脉冲防护两部分,雷电电磁脉冲防护系统主要针 图4叶尖接闪器 对风电的控制系统,直击雷防护系统主要包括叶 (2)叶中接闪器 片、塔筒及接地系统的防护,文章重点介绍叶片 叶中接闪器距叶根大约18.5m,位于后缘位置 防雷系统。 为了避免叶片遭受直击雷,必须选择适当的(见图5)。 导体结构、合理设计雷电流路径、降低内部燃弧力侧 接闪器 的可能性。目前公司已投入运行的风电叶片为D型 叶片,采取的防雷措施为内部引下线的方式。为 了能达到防雷的目的,叶片防雷系统至少应该具 备如下特点: 吸力侧 (1)叶片应当导电:雷击时,叶片将雷电流 导入大地,否则强大的雷电流将会损毁叶片。研 图5叶中接闪器 究表明,带有内置导体的叶片可以大大降低叶片4.4.3导线 被雷击的可能性。 导线的横截面积为70mm>25mm2,满足设计 (2)安装接闪器:国外研究机构曾经做过有要求 接闪器和无接闪器叶片的高压试验对比,结果证4.4.4导体传递雷电流时的温度上升 明有接闪器的叶片更容易吸收传导雷电,大大降 雷电流流过导体后,导体会被加热,如果温 F. Copyright 2002-2019 Aspose Pty Ltd. 東蛤19 DONGFANG TURBINE 度过高,材料的机械强度会降低,甚至熔化。公 式(6)用于估算传导雷电电流时导线的温度上升5结语 值,所有零部件都必须考虑在遭受部分或全部雷 电流时的温度上升,并确保这些零件在遭受雷电 雷害是威胁风电机组安全生产和风场效益的 袭击后,不会因为温度过高而失去防雷功效。 严峻问题,应加强对叶片防雷能力的研究。 xpwiRxaxp 0-0aexp 'xxcHa-i (6) (1)在风电场选址时,收集该地区的雷害数 据,进行雷电风险评估,为防雷设计提供依据。 其中: (2)在进行叶片防雷设计的同时,要综合考 0-0导线的温度上升值(K) 虑风电机组的防雷,比如风电机组接地、选址、 a一温度阻力系数(1/K); 工艺等,才能让叶片防雷系统达到最佳的防雷效 WR一电流脉冲的能量(J/) 果。 一环境温度下导线的阻抗(m); (3)雷电接闪器有多种型式,文章只提及其 q—导线的横截面积(m2); 中一种,还需进一步研究其他型式的接闪器。 —材料密度(kg/m3) (4)叶片防雷系统的评价,目前只能根据经 c热容(J/kg·K)。 验公式计算零部件的温升,对防雷系统的验证还 需进一步研究。 DF77B叶片的防雷系统材料为铝,表3给出了 (5)与国内专业防雷公司或科研机构合作, 铝的物理参数,将这些数据和防雷等级I对应的开展雷击仿真试验研究,更好地评估防雷系统。 雷电参数代入公式(6)中,可以计算出防雷系统现在美国、丹麦等国都进行过雷击试验,尤其今 中主要零部件的温升值(见表4)。 后的海上风电机组更要加强叶片的防雷能力认 表3铝的物理参数 证。 符 单位 铝 (6)在条件成熟的情况下进行叶片的现场雷 Pαλ m 29×10 击试验,更好地反映叶片防雷系统传递雷电流的 1/K 4.0×10 kg/m' 2700 能力,为防雷系统的设计提供实践依据。 s(熔点) ℃ 658 (7)目前IEC标准基本为欧洲的数据,应该 c J/kgk 908 根据我国自己的情况完善防雷标准,才能更好地 表4主要零部件尺寸及温升 加强防雷方面的认证。 项目横截面积最小横截面积温度上升熔点 单位 mm'mm' K℃ 参考文献 叶尖接闪器830 70 0.2 658 [1] IEC 61400-24. Wind turbine generator systems-Part 24: 导线7050 25.3658 Lightning protection, 2002 电缆接头2005 3.0658 [2] IEC 62305. Protection against lightning, 2006 4.4.5小结 [3]刘万琨,等风能与风力发电技术,北京:化学工业出版 综上,DF77B防雷系统中零部件尺寸及温升 社,2009 值都满足设计要求,能达到防雷等级I的设计水4]武鑫,等风能技术北京:科学出版社,2007 平,为叶片提供了有效的防雷保障。
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