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风力发电机叶片的防雷保护
Shigeru Yokoyama
Central Research Institute of Electric Power Industry, 2-6-1 Nagasaka, Yokosuka-shi, Kanagawa-ken 240-0196, Japan
摘要：通过雷电观察并使用高压脉冲发生器进行实验，明确风电机叶片雷电损坏的原因。上行先导和沿日本海海岸频繁发生的冬季雷电的巨大能量，对风力发电机叶片的雷电损害影响很大。雷电放电可能会在没有雷电接闪器的情况下渗透到叶片的空腔中造成严重损坏，如破坏叶片或使叶片掉落。尽管雷电接闪器对风力发电机叶片能起到雷电保护的作用，但并不完善。
关键词：雷电防护；风力发电机；冬季雷电
1引言
风力发电机容量在不断增加，使用最广泛的在装机容量为1000-2000kW之间，这些大型风电机的防雷保护比小尺寸风电机防雷保护更重要。叶片损坏（图1）需耗费大量费用来运送并更换。阐明叶片损伤的产生机理、建立合适的雷电防护措施（如风力发电机组的适当安装），对风力发电系统的进一步普及具有重要意义。
从雷电性能看，风力发电机具有以下特征。
- 长涡轮叶片。
- 风机叶片由绝缘材料（如纤维增强塑料）组成，这些材料遭雷击时易燃烧。
- 叶片由两块纤维增强塑料制成的板组成，两块板之间有一个空腔，上面粘有强力粘合剂。
- 风机叶片在发电期间旋转，雷击点沿叶片方位角移动。
- 风电场中的风力发电机相隔数百米。
为了建立更好的保护措施，我们研究了日本海沿岸频繁发生的冬季雷电，尤其是雷击点和雷电流特征，并用高压脉冲发生器对风力发电机叶片的雷击方式进行试验，预测叶片损坏的可能原因。
图1 雷击造成叶片损坏
2风力发电机的雷击停电
1991年至1998年，欧洲平均每年因雷击造成风电机停电的概率为3.9%-8.0%[1]。2002年至2006年，日本平均每年因雷击造成风电机停电的概率约为10%-20%[2]。根据风电公司的调查，在日本海海岸，雷击导致风电机停电而造成的损失占总损失的30%左右。对于超过1000kW的大型风力发电机，叶片损坏带来的损失占总损失的75%。
叶片损坏需要耗费大量的费用来运送并更换。进一步阐明日本海沿岸冬季雷电的特点对分析雷电灾害增加的原因来说是很重要的[3-6]。
Yokoyama et al.展示了风力发电机叶片各个方面的雷电损害[7]。
图2 雷电击中旋转叶片
3风机叶片的雷击形式和雷电流波形
3.1静止照相机多次拍摄风机叶片冲程图
图2显示的是雷电击中旋转叶片。雷击点随旋转叶片旋转，由于多次冲击或长时间持续电流的时间间隔，旋转叶片离开第一个雷击点。
3.2雷电伴随巨大电荷量
在观测日本冬季雷电时，总能观测到持续时间非常长的雷电流。电荷量由瞬间雷电电流值的时间积分表示。有很多冬季雷电电荷量超过300C，是普通夏季雷电电荷量的10倍甚至更多。因此，当雷电放电电弧渗入叶片海绵状部分的内部时，易点燃、破坏风机叶片。
此外，为防止雷电危害电气和电子电路，应当使用避雷器进行保护。Ueda et al.报导了日本海沿岸四个地区两个冬季的雷电电荷量统计值[8]，报告显示，超过300C的大电荷量雷电发生了8次。其中4%的雷电所包含的电荷量超过IEC TC62305-01或IEC 61400-24 [9]中所规定的I级保护等级的值。Hongo等人报道称，在日本海海岸的移动电话塔中观测到910C电荷量的冬季雷电[10]（图3）。
图3 长时间持续电流
4使用高压脉冲发生器的放电方式的实验结果
4.1实验设备
利用中央电力工业研究所盐原试验场内的12MV高压脉冲发生器对风机叶片的雷击方式进行研究（图4）。发生器产生的脉冲包括雷电脉冲（L.I.）和转换脉冲（S.I.），如图5所示[11,12]。
从由GFRP（玻璃纤维增强塑料）制成的12m长的风机叶片切割出3米长的叶片样品。将叶片样品垂直固定在木制基座上，电极与叶片样品尖端之间的间隙长度设为4米。
图4 Shiobara试验场12MV高压脉冲发生器
图5 雷电脉冲和转换脉冲的波形：（a）雷电脉冲和（b）转换脉冲
4.2非导体叶片的实验
通过人为污染测试研究污染对叶片的影响。将混合有盐和粉末粘土的水喷洒在叶片上，制成污染的叶片样品，其污染程度按等值盐密（ESDD）设定为0.1mg/cm2，以对应海岸附近的高污染状况。通过上下移动叶片，测量污染和未污染叶片样品的50%闪络电压（FOV），并以此作为正转换电压。同时测量3米长金属管的50%FOV作为参考。
表1为实验结果，图6为非导电叶片样品的典型放电方式。如图6（a）所示，由于叶片由介电材料制成，因此电极总是对地放电；如图6（b）所示，实验观察到放电电流数次沿叶片样品下半部分的边缘传导。然而，污染条件下叶片的放电方式则完全不同：电极对地不放电，放电电流均沿叶片样品的整个表面传导，如图6（c）所示。
如图7所示，放电电流渗入被污染叶片的空腔中。
表1 非导电叶片样品的实验结果
图6 向不导电的叶片样品放电：（a）电极接地放电、（b）表面放电（无污染状态）和（c）表面放电（污染状态）。
图7 放电电流渗入叶片空腔部分：（a）放电形式、（b）正面和（c）背面
4.3叶片样本与接闪器的实验
通过实验研究嵌入叶尖端表面的小金属接闪器对叶片的影响。将直径25mm的铜制接闪器安装在3m长叶片样品的表面上，接闪器距尖端250mm、距叶片两边130mm，接闪器的引下线穿过叶片样品的空腔连接到地面。由于风机叶片在实际中围绕机舱旋转，因此对叶片样品的四种典型安装形式分别进行实验，包括叶片垂直、倾斜45°、水平1（前缘面向电极）和水平2（后缘面向电极）（图8）。
图8 装有接闪器的叶片样品的实验装置（a）垂直（b）倾斜45°（c）水平1和（d）水平2
4.3.1垂直安装
表2为实验结果。多数情况下，放电沿叶片样品尖端的表面击中接闪器，有些情况下直接击中接闪器。在表2中，将上述两种情况视为同一放电方式，并用“接闪器”作为描述。如图9所示，当放电击中叶片尖端的边缘时，尖端部分受损，施加负雷电脉冲时，尖端受损率为50%，施加正转换脉冲时，尖端受损率为10%。
表2 垂直安装的带有接闪器的叶片的实验结果
图9 向具有接闪器的垂直安装的叶片放电：（a）前视图，（b）右视图和（c）受损区域
4.3.2倾斜45°安装
采用四种波形（正雷电脉冲（L.I.）、负L.I.、正转换脉冲（S.I.）和负S.I.）进行10次实验，叶片均未损坏。多数情况下，放电均沿叶片样品的表面击中接闪器。
4.3.3水平安装1（后缘朝向高压电极）
表3为实验结果。在负放电的情况下，接闪器多次成功阻止放电击中叶片。但在正放电的情况下，放电总是击穿围绕叶片样品中部的后缘。表3中，叶片样品受损且受损区域再次被击中时则视为1次破坏。图10为放电击中方式和叶片受损区域。施加正雷电脉冲或负雷电脉冲时，叶片损坏率分别为100%和0%；施加正转换脉冲或负转换脉冲时，叶片损坏率分别为86%和6%。
表3 在水平1位置的带有接闪器的叶片实验结果
图10 向水平安装的叶片样品放电的形式：（a）前视图，（b）右视图和（c）受损区域
4.3.4水平安装2（前缘面对高压电极）
表4为实验结果。类似于叶片按水平1方式安装的结果，正放电多次损坏叶片样品，负放电则击中接闪器。这些结果表明：当向电极施加负脉冲电压时，始于地面物体的上行正先导更易于发展。由于叶片较厚的前缘面向电极，所以与按水平1安装相比，叶片损坏率更低。当施加正雷电脉冲或负雷电脉冲时，叶片损坏率分别为100％和20％；当施加正转换脉冲或负转换脉冲时，叶片损坏率分别为28％和9％。
表4 在水平位置2的带有接闪器的叶片实验结果
4.4对用导电帽覆盖的叶片样本进行实验
除采用圆形接闪器的保护方法外，还可在叶尖处覆盖带有引下线的金属帽。实验中，在260mm长叶片样品的顶部完全覆盖上铜带，并将铜带连接到引下线。叶片样品倾斜45°安装。
如图11（a）所示，多数情况下，放电直接击中导电帽，雷电流通过导体安全流入地面。但是，在施加正转换脉冲电压的情况下，如图11（b）所示，放电击中导电帽正下方叶片的边缘。图11（c）为放电击中叶片时造成的损坏。叶片被击中后，受损区域在数秒内燃烧。
这种类型的叶片尽管很少发生损坏，但比在某处安装接闪器的叶片具备相对更好的保护性能。
图11 向尖端覆盖导电帽的叶片样品放电
5叶片损坏和燃烧的可能机制
5.1仅由绝缘材料制成的叶片
5.1.1未受污染情况下
没有金属部件的叶片的雷击概率小于装有金属接闪器的叶片的雷击概率，但是，当叶片被雷电击中时，由于以下原因易发生损坏或燃烧。
- 放电渗入叶片空腔，由于空腔内空气加热或水分蒸发，内部压强迅速增加（图7）。
- 流入FRP（纤维增强复合材料）粘贴部分的电流使边缘部分产生裂纹。
- 尖端部分或边缘部分燃烧。
5.1.2受污染情况下
在受污染的情况下，虽然叶片仅由绝缘材料制成，但其被雷电击中的形式与具有金属部件的叶片相似。因此，雷电击中被污染的叶片的可能性大于击中没有被污染的叶片。
5.2带有接闪器和引下线的叶片
长间隙放电实验表明，当把正转换冲击电压施加到悬挂在叶片模型上的杆电极上时，放电有可能击中装有接闪器的叶片的绝缘部分，因为接闪器的上行先导不能充分延伸，杆状电极的下行先导有可能击中绝缘表面。而另一方面，当将负转换脉冲电压施加到杆电极时，始于接闪器的上行先导则能充分延伸。
在叶片侧相对于杆状电极作为负极侧的情况下，由于接闪器上行先导不能充分延伸，放电击中叶片绝缘表面的可能性会更大。
6风力发电机的雷电防护
6.1孤立避雷塔引雷
通过建造一个与风机隔开一点的隔离塔来防止雷电击中风机，这种方法在雷暴期间风向不变的情况下会很有效。避雷塔应建在风机迎风面，如果风向多变，则需要建造两座或更多座塔，但从经济角度来看不太实际。
6.2防叶片损坏措施中避雷针对机舱的影响
要让雷电充分打在机舱避雷针上，则应当采用长避雷针。而从风险管理的角度来看，即使机舱避雷针长度比叶片长度短，也能防止一些原因造成叶片的损坏。
- 用叶片模型做实验，计算由绝缘材料或金属片制成的叶片的击穿电压。实验结果显示，即使由绝缘材料制成的叶片的顶部高于避雷针的顶部，机舱上的避雷针也会遭受雷击。但是，如果叶片表面受到污染，则避雷针遭受雷击的情况会减少。
- 当三个叶片中位置最高的叶片垂直于地面时，叶片顶部高于地面的高度为叶片自身长度与机舱高度之和；当最高位置的叶片角度由垂直变为60°时，其顶部高于地面的高度则是叶片长度的一半与机舱高度之和。所以避雷针对机舱防雷的影响是很大的。
6.3接闪器和引下线
采用接闪器和引下线的保护措施可以显著减小叶片遭受雷击而损坏的可能性，但防雷保护装置并不完善。实验结果表明，垂直安装的叶片（遭受雷击时）在叶尖处受损，而水平安装叶片时，雷电会击穿叶片中部的边缘。由实验可以看出，倾斜安装的叶片没有受损，但是由于雷击叶片表面且雷电流传至接闪器，所以也可能造成叶片损坏；顶部覆盖有导电帽的叶片具有较高的防护性能。
7结语
根据冬季雷电特性分析及实验结果，可总结出以下关于风力发电机防雷设计的结论：
- 与风机停电有关的冬季雷电的特征：
bull;上行先导-将雷电引至风机上（图12）
bull;正极性雷电放电-增大雷电击中叶片绝缘部分的可能性
bull;雷电流的巨大能量-叶片爆裂或燃烧，接闪器熔化
图12 冬季雷电（上行先导）
- 长间隙放电实验的结果：
对于不导电的叶片，在被污染状态下放电击中叶片并（沿叶片）传导的概率比未受污染时更高，且有时放电电流会渗入叶片空腔。
采用接闪器的防雷措施不够完善。垂直安装的叶片样本在尖端受损，而水平安装叶片样本时，放电会击穿叶片样本中间部分的边缘；顶部覆盖有导电帽的叶片样本表现出高防护效率。
制定更好的风机叶片防护措施是很有必要的。例如，应检测各种叶片材料（如碳增强塑料）的防护性能。
参考文献
- Wind turbine generator systems-part 24:lightning protection,IEC TR 61400-24,2002,7.
-
M. Ideno, K. Seki, Study on improvement of performance of wind power generation system and lightning damage, in: P
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