隨著風(fēng)電整機(jī)出質(zhì)保的比例不斷增加，機(jī)組、葉片因雷損失的比例也不斷擴(kuò)大。山東公司在榮成項目的66臺1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于地理地勢條件，造成了該風(fēng)場每年因雷擊損壞導(dǎo)致的停機(jī)比例逐年增加。造成目前葉片因雷損失比例增高的主要原因是葉片防雷設(shè)計基本沒有進(jìn)行雷擊設(shè)計驗證、葉片防雷系統(tǒng)有效接閃率低、接閃器設(shè)計冗余不足導(dǎo)致的。本文將對葉片的因雷損失進(jìn)行分析，并提出一種針對既有葉片的防雷改造方案。
1.風(fēng)電場雷電活動特點
隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，強(qiáng)對流氣象災(zāi)害多風(fēng)電場的影響逐年增加，由于榮成地區(qū)處于膠東半島末端，每年雷暴活動和山區(qū)小氣候活動異常頻繁，自風(fēng)電產(chǎn)投產(chǎn)以來因雷擊導(dǎo)致的葉片損壞、線路跳閘事件不斷發(fā)生；因葉片雷擊損壞造成的停機(jī)時間占總停機(jī)時間的60%以上。
榮成地區(qū)屬于膠東半島末端，氣象統(tǒng)計的縣城雷暴日超過40天，風(fēng)電場根據(jù)多年運行掌握的資料發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電場每年雷電活動天數(shù)超過55天，甚至在升壓站發(fā)生過多次落雷事件。通過多年運行經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電場的雷擊事故損壞半徑與風(fēng)電場選址、裝機(jī)密度、機(jī)組防雷性能有著直接關(guān)系。機(jī)組在防雷系統(tǒng)上一直存在較為明顯的設(shè)計問題，導(dǎo)致小葉尖頻遭雷擊損壞，葉片雷擊損壞已經(jīng)嚴(yán)重影響機(jī)組正常運行。
2.機(jī)組葉片雷擊損壞原理
機(jī)組的葉片防雷系統(tǒng)較為單一和薄弱，僅在葉尖位置有一組接閃器，其接閃器與引下線的內(nèi)安全距離較近，容易造成葉片因雷導(dǎo)致的擊穿。
葉片在晴天大氣電場中由于葉尖結(jié)構(gòu)決定了其造成的水平等電位線的畸變水平，在動態(tài)條件下機(jī)組與葉輪轉(zhuǎn)動導(dǎo)致等電位線在葉片外周形成較大的畸變；而圍觀層面，葉片表面由于受到大氣電場的作用在其表面會吸附大量的靜電電荷，在陰天條件下受到水膜的作用電荷開始運動更利于形成上行先導(dǎo)。葉片的接閃主要是由于在高電場條件下表面存在靜電電荷，晴天條件下大氣電場強(qiáng)度為120V/m,在雷雨發(fā)生前的電器電場強(qiáng)度為3.4Kv/m.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組表面及葉片表面都會存在靜電電荷。當(dāng)大氣電場強(qiáng)度不斷變化時，由于葉片屬于非金屬物體，在晴天條件下葉片表面只有很少的靜電電荷。葉片作為一種空腔結(jié)構(gòu)，在晴天時屬于非導(dǎo)體空腔，腔內(nèi)引下線表面附著有靜電電荷；當(dāng)下雨打雷時葉片表面受到水膜作用實質(zhì)變性為導(dǎo)體空腔，受到高電場作用，葉片內(nèi)部的引下線會產(chǎn)生大量的感應(yīng)正電電荷（含機(jī)組從大地上獲取到的正電荷），在靜電平衡的作用下，葉片內(nèi)部底層帶等電量的負(fù)電荷，在葉片表面水膜層帶等量正電荷，在水膜運行的作用下電荷從葉根向葉尖流動。由于葉片表面的電荷量的增加，在葉片表面和葉尖接閃器（全金屬葉尖接閃器）上都會形成上行先導(dǎo)，上行先導(dǎo)的數(shù)量由葉片所處電場強(qiáng)度決定。當(dāng)葉片表面形成的上行先導(dǎo)與雷雨云形成的下行先導(dǎo)貫通時，形成接閃通道。
圖2 葉片表面上行先導(dǎo)分布
在雷雨時葉片整體變形為導(dǎo)電腔體，葉片表面受到葉片內(nèi)部引下線感應(yīng)的同步等量的電荷，在水膜作用下流動，在單位面積內(nèi)形成與葉片引下線及人工定位放電裝置相同的上行先導(dǎo)，這時葉片上行先導(dǎo)與雷云下行先導(dǎo)之間會存在擊穿選擇性。
雷電先導(dǎo)（如圖3）在擊穿空氣時會選擇阻抗更低的通道繼續(xù)下行，其擊穿空氣傳導(dǎo)的速度為20-50m/us。按照其最快的傳導(dǎo)50m/us的速度計算，下行先導(dǎo)與上行先導(dǎo)在最短擊距350m的時間約為6us，考慮到無法判定葉片在接閃瞬間時是處于脫網(wǎng)、滿發(fā)或其它運行工況，因此假定在17轉(zhuǎn)/min的滿發(fā)工況條件下，來計算葉片在5-6us時間的行進(jìn)弧度。同時，由于葉片的長度不同，在相同時間內(nèi)葉片行進(jìn)弧度同樣也會存在差異，因此，我們以葉片人工定位放電裝置所形成的先導(dǎo)為主要的參考量（葉片人工定位放電裝置按照5cm直徑考慮）。
圖 3上行先導(dǎo)、下行先導(dǎo)與雷電傳導(dǎo)速度
圖 4 葉片接閃的選擇性
假定在雷雨時，葉片表面及人工定位放電裝置存在多個上行先導(dǎo)，且人工定位放電裝置上的上行先導(dǎo)1與雷云下行先導(dǎo)在第1us時存在導(dǎo)通趨勢。在第6us雷云下行先導(dǎo)與上行先導(dǎo)將導(dǎo)通時，由于此時葉片已經(jīng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，人工定位放電裝置上的上行先導(dǎo)1也隨之發(fā)生位移（如圖5），此時可能是葉片表面的上行先導(dǎo)2反而處于優(yōu)勢位置，最終葉片表面的上行先導(dǎo)2與雷云下行先導(dǎo)貫通，形成主放電通道，人工定位放電裝置反而并未有效接閃如圖4的實驗室的試驗也表明了這種情況發(fā)生的可能。
3.葉片外表面粘貼導(dǎo)流條的作用
葉片導(dǎo)流條是目前在風(fēng)電行業(yè)使用較為普遍的一種技術(shù)補(bǔ)充手段，從其原來來看葉片導(dǎo)流條屬于利用雷電高頻特性基于趨膚原理的表面?zhèn)鲗?dǎo)原理的擴(kuò)展應(yīng)用。
表面放電技術(shù)主要原理是利用導(dǎo)體、半導(dǎo)體表面形成的電流閃絡(luò)通道或者電離通道達(dá)到傳導(dǎo)的目的。表面閃絡(luò)原理的本質(zhì)原理與趨膚效應(yīng)類似，都是指高頻電流在物體外表面的一種放電形式和現(xiàn)象。該項技術(shù)與目前主流的防雷原理有一定的區(qū)別，主要在于現(xiàn)有防雷理論中主要提出雷電的攔截，而在物體外表面的閃絡(luò)則是絕緣降低的表現(xiàn)，例如高壓電力系統(tǒng)對于絕緣瓷瓶表面出現(xiàn)閃絡(luò)則會導(dǎo)致對地短路的嚴(yán)重事故。而對于造成表面閃絡(luò)的原因多是絕緣體或半導(dǎo)體表面出現(xiàn)污穢、水膜等情況降低材料表面絕緣，這種閃絡(luò)是具有較高危害性的。有條件的利用表面閃絡(luò)的特性，通過外部裝置使其表面產(chǎn)生上行先導(dǎo)，吸引并傳導(dǎo)雷電流；通過特定的方向?qū)⒗纂娏鱾鲗?dǎo)至大地，是一種技術(shù)手段和方法。導(dǎo)流條的技術(shù)原理是利用雷電流或高頻電流的趨膚特性，人為的在絕緣材料表面增加一條利于閃絡(luò)的放電通道。通過對早期和近年出現(xiàn)的不同材料分析，其核心原理都是建立閃絡(luò)通道傳導(dǎo)雷電流。進(jìn)一步的分析可理解為在特定應(yīng)用領(lǐng)域條件下的絕緣體、半導(dǎo)體表面采用分段結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流條可有效增加單位面積上的上行先導(dǎo)，造成有利于擊穿導(dǎo)通的外部輔助條件，并且使雷電流通過在導(dǎo)流條表面以閃絡(luò)的形式進(jìn)行定向傳導(dǎo)，達(dá)到有效導(dǎo)流和提高目標(biāo)接閃器有效接閃率的目的。
4.雷擊導(dǎo)致的葉片損壞案例
5.小規(guī)模的葉片防雷性能優(yōu)化
為了減少和壓縮因雷導(dǎo)致的葉片損壞問題，在河北公司沽源冰峰風(fēng)電場對33臺金風(fēng)750機(jī)組的葉片進(jìn)行防雷系統(tǒng)優(yōu)化，在山東公司榮成項目6臺機(jī)組進(jìn)行了葉片防雷技改。
參考文獻(xiàn)：
基于表面閃絡(luò)放電技術(shù)的雷電流導(dǎo)流載體的研究 《電瓷避雷器》2016年第3期 莊嚴(yán)等
