關于某風電場葉片葉尖斷裂事件的分析

金鵬

摘要：本文對某山地風電場風機葉片葉尖斷裂原因進行了分析，指出了該型風力發電機組葉片的設計和選址缺陷。

關鍵詞：風力發電機組;雷擊;山地風電場;葉尖斷裂

0引言

某風電場風力發電機組遭遇雷擊，導致風機葉片葉尖發生折斷，找到葉片招收雷擊的原因為以后預防此類事件的發生提供了指導意義。

1 事件經過

2020年4月24日，某風電場發生局部雷雨天氣，現場大霧，能見度10米至20米，風電場平均風速為3.68m/s。 2020年4月25日，天氣晴，風電場在巡檢過程中發現12號風機2號葉片葉尖發生損壞，此時12號風機處于停機狀態。

2 風機現場檢查情況及工作記錄

2.1現場檢查情況

2.2.1 現場檢查發現12號風機2號葉片葉尖整體被打掉，葉尖的接閃器丟失，引雷導線外露。蒙皮和葉尖腹板掉在風機平臺（圖3、圖5），葉尖外蒙皮因雷擊時溫度過高，紅色油漆瞬間碳化（圖4）。

2.2.2 12號風機登塔檢查情況

登機檢查輪轂內部2號面的避雷導線、集電環、碳刷、不銹鋼避雷支座、避雷導線、機艙至塔基接地線及接地線與地網連接未發現異常。

2.2 風機工作記錄

查12號風機接地電阻測試及最近一次避雷檢查記錄，氣象局于2018年8月21日對風電場12號風機接地網進行了接地電阻檢測，其接地電阻為3.56Ω，小于4Ω的設計值;2018年11月30日由風機葉片專業隊伍完成了】12號風機葉片下吊籃檢查，對葉片的回路電阻進行測試，測試值為49.5mΩ，低于50mΩ的設計值;2019年9月5日由高壓預防性試驗單位對12號風機地網進行了接地電阻檢測，其3次的測試值均小于4Ω的設計值;2020年3月5日對12號風機組織開展了避雷系統專項檢查，避雷系統及葉片未發現異常。

3 XE82-2000型風機防雷簡介

12號風機的葉片是中航惠騰生產的HT40B型葉片，每片葉片上安裝3個接閃器;葉片避雷回路與輪轂避雷回路是通過碳刷與弧形板滑動連接;輪轂與主軸承通過碳刷連接。

湘電風能系列風機避雷系統由外部直擊雷防護系統和內部感應雷防護系統組成。

風機外部直擊雷防護系統主要由輪轂避雷系統、機艙避雷系統、塔筒避雷系統、塔基避雷系統和基礎接地網五個部分組成。其中輪轂避雷系統與機艙避雷系統通過碳刷相通，機艙避雷系統通過機艙接地匯流排與塔筒避雷系統相連，塔筒避雷系統和塔基避雷系統與基礎接地網通過塔筒底部接地匯流排相連。

輪轂避雷系統又分為兩部分，葉片避雷系統和輪轂避雷系統。葉片避雷主要通過接閃器、避雷導線、碳刷與輪轂的避雷系統相連接。輪轂避雷則直接利用碳刷將雷電從輪轂引至發電機定子支架再通過避雷導線引至機艙接地匯流排。

機艙避雷系統主要由發電機外殼、發電機定子支架、機艙避雷針、機艙接地匯流排和機艙至塔筒底部接地匯流排之間的避雷導線組成，相互之間通過50mm2的多股軟銅線相連。

風機塔筒高80米，分為3節，塔筒與塔筒之間通過法蘭連接，因法蘭連接之間涂有密封膠，固塔筒與塔筒之間通過法蘭接地線相連。雷電在塔筒的傳輸路徑主要是通過法蘭接地線將雷電引入塔筒底部接地匯流排。

塔基避雷主要是變壓器、變頻器、水冷控制柜、塔基控制柜等設備的避雷，其避雷主要通過屏柜或設備的外殼接地與塔筒底部接地匯流排相連實現。

4 風機防雷的困難

4.1 風電場中的風力發電機組相互電連接且往往位于接地條件不好的區域。風力發電機組都設置在風力強大的地區，例如12號風機這種典型的山脊，而這些地區正是雷電多發區。由于都愿意將風力發電機組設置在高于周圍地區的制高點，并且遠離其他高大物體，因此它更加能吸引雷電。12號風機海拔為1878米，是周圍臨近12臺風機中第二高的風機。

4.2 通常，現代大型風力發電機組的葉片用復合材料制成，例如用玻璃纖維增強塑料或木材層壓板。由于這些材料不能傳導雷電流，用這類材料制造的葉片，且未加防護，雷擊時總是出現損壞。因此，對這類葉片作防雷要求是重要的。

5 原因分析

12號風機葉片在雷暴天氣下遭受到雷擊。接閃器接到雷電后經引下線泄流，由于本風機引下線存在機械損傷，材質采用多股鋁導線，泄流能力較 銅導線弱，加之導線絕緣內部受潮、氧化、電阻增大，導致發熱。在 電、熱和電動力效應的聯合沖擊下，引下線在距接閃器 1 米左右處斷開。此時雷電流無法通過引下線釋放能量，雷電流在葉片內部對梁帽 放電，在梁帽的邊緣復合材料處形成電弧通道，因為梁帽邊緣復合材 料受潮，內部電弧加熱潮氣引起壓力沖擊，使梁帽和腹板在距葉根三 分之一處分離斷裂。葉片蒙皮沿前、后緣分成兩片垂到風機兩側。

6 葉片問題

6.1該風場機組每片葉片接閃器數量為 3 個，12號風機的葉片長度為40.3m，根據《風力發電機組雷電防護系統技術規范（NB/T 31039—2012）》所出的標準，對于葉片長度30m≤L<45m的風機，葉尖端接閃器1個，壓力面接閃器2個，吸力面接閃器2個（分布在轉動的葉片上）。12號風機的接閃器數量明顯偏少，不滿足要求，且根據歷年來的雷擊記錄，的風機歷史雷擊造成葉片損壞次數明顯高于其他區域的風機，且發生雷擊的風機絕大多數為高海拔風機。12號風機所處區域，歷史發生過4次風機葉片被雷擊事件，證明此區域是雷暴頻發區域。

6.2引下線材質，風機葉片的引下線材質為鋁。國標 GB/Z 25427-2010《風力發電機組 雷電防護》中給出兩種常用材質鋁、銅兩者電阻率。同種長度、截面積的導線，鋁導線電阻是銅導線的 1.63 倍，銅導線較鋁導線的載流能力要強。標準描述 B 型葉片引下線材質為銅絲，采用鋁線明顯不如銅絲通流能力強。

參考文獻

[1]NB/T 31039-2012. 風力發電機組雷電防護系統技術規范[S]. 2012.

[2]劉靖，張潤華.風電場運行維護與檢修技術[M].化學工業出版社，2015.

[3]GB 50057-2010. 建筑物防雷設計規范[S]. 2010

個人簡介：金鵬，1993年10月，男，漢，湖南邵陽人，本科學歷，助理工程師，研究方向：風電運維。