風電機組葉片防雷系統工程應用研究

方致陽 李成良 張敏昊 段雁超

目前，國內葉片所使用的防雷系統，為在引進國外葉片結構設計時，附帶的防雷系統設計。針對國內的復雜環境，該防雷系統設計并不能對遭受雷擊的風電葉片進行完全有效防護。

為了滿足國內復雜環境對防雷系統的需求，需要深入了解葉片雷擊事故發生機理，對葉片防雷系統進行防雷測試研究，并采用仿真等分析手段輔以驗證，探索出符合國內環境并適于目前工程應用的葉片防雷系統。

本文通過開展葉片防雷系統防雷測試研究，總結出葉片防雷失效的影響因素，為葉片防雷系統優化找到正確的方向。

風電機組葉片防雷失效分析

一、雷電放電機理

雷電屬于電弧放電的一種。電弧放電是指在一定條件下電荷通過兩電極間氣體的一種導電過程，是一種不同于金屬放電的氣體放電。金屬中電流與電壓之間的關系遵循歐姆定律，而氣體放電則不然，其電流與電壓之間呈現一種十分復雜的關系。

據相關研究，目前世界上近85%的雷電為負極性，并且絕大部分雷電為下行雷，先導發展之初在雷云底部集聚大量的負電荷，并感應地面上的正電荷。這兩種電荷在大氣中建立起巨大的空間電場，當雷云底部大氣電場達到一定的強度，并超過空氣的絕緣強度時，空氣發生電離形成彌散電荷，并逐漸形成流注。當流注發展到一定程度并形成一個向下運動的電離通道時，就形成了下行先導，隨著下行先導持續發展且越來越接近地面，地面所感應出的正電荷也將不斷增加。但是由于地面較為平緩，很難形成上行先導，最終負極性的下行先導與正極性的地面電荷接通后形成一次放電。

二、風電機組葉片接閃機理

風電機組葉片的接閃機理與雷電對地放電的機理大致相同，但是由于風電機組屬于高聳突出的結構，并且風電機組葉片存在接閃尖端，雷云形成的下行先導接近風電機組后，會使葉片接閃尖端的電場急劇增大，并使其形成向上發展的正極性上行先導，進而使得上行先導與下行先導匯合的位置會與風電機組葉片有一定的距離，并且產生上行先導的位置即為雷擊點（如圖1）。

三、風電機組葉片防雷失效機理

根據雷電放電與風電機組葉片接閃機理、結合由美國Cooray教授領導的雷電研究小組的一些研究發現，當下行先導發展到一定程度后會誘使風電機組葉片葉尖出現上行先導。但當下行先導與風電機組葉片之間的場強達到一定程度，巨大的場強超過葉片本體的絕緣強度之和時，該區域會喪失絕緣性。此時，風電機組葉片防雷系統引下裝置附近會出現彌散電荷、流注乃至上行先導。當多次雷擊發生后，防雷系統絕緣乃至蒙皮絕緣由于上行先導的出現將會出現失效的情況，而這種情況的發生會增加防雷系統引下裝置金屬導體出現先導的概率。由于雷電的形成有很大的隨機性，當防雷系統引下裝置金屬導體出現的上行先導比風電葉片接閃尖端出現的上行先導更具有競爭性時，雷云出現的下行先導會有機會與防雷系統引下裝置金屬導體出現的上行先導匯合形成一次放電，這時就會導致風電機組葉片防雷失效，詳見圖2。圖3為高電壓初始先導測試中金屬尖端先導競爭失敗后出現的測試失敗現象。

風電機組葉片防雷系統的測試現象解析

一、風電機組葉片防雷系統測試規范分析

根據風電機組葉片防雷失效分析，造成葉片防雷系統失效的主要原因是在大氣電場的作用下，引下導體誘發的上行先導比接閃裝置誘發的上行先導先一步與雷云發展的下行先導發生連通，而標準《GB/T 33629 – 2017 / IEC 61400 - 24：2010 風力發電機組 雷電防護》（測試時2019版標準尚未發布，本文遵循IEC 61400-24：2010 Wind turbine generator systems Part 24 ：Lightning protection）中附錄 D 對葉片的防雷測試作了詳細的規定，其中與風電機組葉片防雷失效關系最大，同時也是失敗概率最高的測試為附錄D的“D.2.1初步引線連接測試”，即行業內的高電壓初始先導測試。

該規范要求進行54次測試：與水平面呈90°的測試共有6次，正負極性各3次；與水平面呈60°的測試共有24次，A/ B/C/D（A：迎風面接地；B：后緣接地；C：背風面接地；D：前緣接地）四個朝向，每種朝向正負極性各3次；與水平面呈30°的測試共有24次，A/B/C/D四個朝向，每種朝向正負極性各3次。規范中規定的測試角度，是為了對應實際風電場的運行環境。其中，低角度的防雷測試對應了高原、高海拔地區，風電機組近乎豎立在雷云中，該類測試也是高電壓初始先導測試中最容易出現失敗的。規范中規定的測試數量是專家通過大量實際風電機組運行數據得出的。因此，通過規范中的54次高電壓初始先導測試，即可說明該防雷系統設計在防雷接閃的能力上，基本滿足葉片全生命周期的使用要求。

關于測試樣件的長度，規范雖然沒有作出詳細要求，但是一般不會小于5m—— 該長度主要來源于風電場實際運行情況。例如，根據相關部門統計，美國某風電場508臺風電機組在5年期間共有304支葉片遭受雷擊。觀察雷擊位置的分布可以發現，約95%的雷擊事故發生在距離葉尖5m以內的位置。

二、風電機組葉片防雷系統測試現象分析

為了對防雷系統設計進行初步驗證，本文隨機截取某型號葉片葉尖（國內常用葉片防雷系統：鋁葉尖加引下線方

案）進行高電壓初始先導測試。測試布置以及相關測試參數，參考標準《GB/T 33629 – 2017 / IEC 61400 - 24：2010 風力發電機組 雷電防護》中附錄D的要求，在經過54次測試試驗后，總共發生4次擊穿現象—— 前兩次測試為上行先導內部爬弧后擊穿蒙皮；后兩次為上行先導直接擊穿蒙皮，測試的成功概率為92.6%。此外，由防雷測試統計數據可知，測試樣件與接地平板呈90°，測試成功的概率為100%；與接地平板呈60°，測試成功的概率為95.8%；與接地平板呈30°，測試成功的概率為87.5%。由此可知，測試樣件與接地平板之間的角度越小，測試成功的概率越低。