風電機組葉片防雷接閃器技術

王 凱 程林志 史 航 仝世偉 劉二恩 張明輝

(許昌許繼風電科技有限公司)

雷電是自然界中一種常見的放電現象，雷擊釋放出的巨大能量對建筑物和高空物體都有著嚴重的危害。現代風電機組類似于高大建筑物，具有遭受雷擊的相關特性，其高度超過150m，且常布置在曠野、山地及海邊等非常容易受到雷擊的場地。風電機組的許多暴露部件(如葉片和機艙蓋)往往由不能承受雷擊的材料或不能傳導雷電流的復合材料制成，葉片和機艙是旋轉的，不利導流，雷電流必須通過風力發電機組傳導至地面，雷電流的有效部分會直接通過幾乎所有風力發電機的組件[1]。因此，即使做了防雷保護，還可能會使風電機組遭受雷擊損壞。此外，風電機組是風場的貴重設備，價格占風電工程投資的60%以上。若風電機組特別是葉片和發電機遭受雷擊時，除了損失維修期間發電所得之外，還要負擔受損部件拆裝和更新的巨大費用[2]。

因此，為避免風電機組遭受雷擊，減少損失，筆者介紹了可用于風電機組葉片防雷的接閃器技術。

1 雷擊對葉片的危害

風力發電機組的葉片是由兩半殼體和中間腹板組成的中空結構。目前葉片多為玻璃纖維增強復合材料，基體材料為環氧樹脂[3]，輔材由輕木和硬質泡沫制成。由于葉片特有的材料和結構特點，其在遭受雷擊后存在以下損壞：

a. 葉片表面復合材料開裂、灰化和雷擊點的金屬部件燒毀或熔化；

b. 雷電時在葉片內部的空腔體或內表面形成電弧，并在電弧周圍形成壓力沖擊波，對葉片造成嚴重損壞；

c. 雷電流傳導到復合材料層中間時，由于層間有潮氣，內部電弧加熱潮氣引起壓力沖擊，使葉片爆裂，或使葉片表面沿前、后緣和葉片大梁處撕裂損壞，致使葉片表面裂紋，甚至導致葉片完全碎裂，嚴重時壓力波會通過輪轂傳導到沒有遭雷擊的葉片上，引起聯鎖損壞；

d. 當在葉片外部形成雷電弧，或當雷電流通過橫截面積不足的金屬部分傳導時，可能會發生輕微損壞。

2 葉片防雷措施

葉片雷擊保護的原理是將雷擊電流從雷擊點傳導到輪轂。因此可以在葉片表面或內部固定金屬導體，使雷擊電流從雷擊點沿著葉片表面或內部轉移到葉片根部，避免在葉片內部形成雷擊電弧；另，可在葉片表面上增加一層導電材料，使葉片有充足的導電能力，能夠安全地把雷電流傳導到葉片根部。

葉片防雷措施主要有：在葉片表面或葉片內部安裝接閃器；在葉片表面粘貼金屬箔，形成分段式避雷帶；在葉片表面增加導電材料。

國外研究機構曾經做過有接閃器和無接閃器的高壓試驗對比，結果證明：無接閃器時，葉片截雷58%；有接閃器時，截雷100%。因此裝有接閃器的葉片更容易傳導雷電，降低葉片損壞概率。

3 葉片防雷接閃器

葉片接閃器防雷原理為：通過葉片表面的接閃器將雷電引入，電流通過葉片內部防雷導線傳導至葉片根部的金屬法蘭或其他結構，再通過風機自身防雷系統將電流引導至大地，約束雷電，保護葉片(圖1)。

圖1 葉片接閃器防雷原理示意圖

研究表明，葉片遭受雷擊時，雷電的損害范圍取決于葉片形式。葉片材料全部絕緣并不會減少被雷擊的概率，反而會增加被雷擊的次數。全世界每年大約有1%～2%的運行風力發電機組葉片遭受雷擊，大部分雷擊事故只損壞葉片的尖部[3]，同時其他部位也存在雷擊現象，故葉片防雷接閃器結構一般采用葉尖+葉身防雷結構保護葉片免遭雷擊。葉尖防雷結構可采用尖部柱體接閃器結構或鋁尖接閃器結構。

圖2中尖部柱體接閃器采用鋁板作為葉片內部固定物，葉片合模前將其安裝在內部，葉片脫模后在表面打孔，然后將銅質鋁柱(或其他材料)結構通過過渡配合安裝在鋁板上。這樣可以使鋁板和柱體結構緊密結合，保證接觸面積和導電順暢，但柱體結構安裝較為困難，不易更換。

圖2 尖部柱體接閃器結構簡圖

圖3中鋁尖接閃器采用葉片尖部為鋁制葉尖，在葉片制造過程中將該結構與葉片本體粘接為一體。該結構接閃面積充足，并位于葉片的最高位置，可提升葉片接閃率，但由于葉尖為金屬結構、葉身為玻璃鋼結構，故對兩種材料的兼容性和長期運行的磨損性提出了新的要求。

圖3 鋁尖接閃器結構簡圖

葉身接閃器結構也有兩種結構：第一類采用銅柱或鋁柱A結構(圖4a)，第二類采用銅柱或鋁柱B結構(圖4b)。A類柱體結構與尖部柱體接閃器結構類似，同樣采用鋁板和柱體過渡配合的方式進行連接。B類柱體結構分別在葉片迎風面和背風面安裝接閃器，接閃器與內部固定板采用螺紋配合的方式連接，最終將對稱的接閃器通過引線并入葉片內部主導線上。B類柱體結構制造方法較為簡單，并且接閃器出現問題后可擰出進行更換，但在安裝時需注意避免螺紋受到污染。

a. 閃器A

b. 閃器B

接閃器結構的要求有以下幾點：

a. 接閃器露出葉片的表面積需按照IEC 61400-24標準執行，一般規定大于200mm2[4]；

c. 接閃器的主要功能是接收雷電并引導電流，故須保證接閃器表面無污染，使整個結構導電順暢；

d. 接閃器主要通過電纜導電，因此電纜必須有足夠的截面積保證電流傳導，通常要求電纜截面積至少50mm2，而且，電纜在葉片內部鋪設過程中，必須通過一些剛性支撐防止松動，避免磨損；

e. 葉片應設有排水孔，保證葉片內部無積水，避免潮氣，降低葉片的開裂風險。

目前，絕大多數葉片接閃器采用上述結構，但由于雷擊具有隨機性和破壞性，葉片還存在遭受雷擊損壞的風險，故在保證接閃器結構導電順暢的同時，還需對葉片本體和防雷結構進行研究。

4 結束語

隨著風電的發展，葉片長度不斷增大，碳纖維材料的應用更對葉片防雷結構提出了新的要求，故應根據實際情況選擇合理的接閃器結構和布局，同時兼顧葉片材料特性、接閃器結構、接閃面積、固有電阻及相關結構等，綜合性設計防雷體系，保護葉片及風機其他部件免遭雷電破壞。

[1] 劉佼，肖穩安，陳紅兵.全國雷電災害分析及雷災經濟損失預測[J]，氣象與環境科學，2010，33(4):21～26.

[2] 宮靖遠，賀德磬，孫如林，等.風電場工程技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3] 熊禮儉.風力發電新技術與發電工程設計、運行、維護及標準規范實用手冊[M].北京：中國科學文化出版社，2005.

[4] IEC 61400-24-2010，Wind Turbine Generator Systems——Part 24：Lightningprotection[S]. Switzerland：IEC,2002.

[5] 蘇邦禮，朱文堅.建筑物避雷與接地[M].廣州：華南理工大學出版社，1988.