葉片防雷設(shè)計(jì)報(bào)告

1、葉片防雷設(shè)計(jì)報(bào)告1 概述1.1 風(fēng)機(jī)的防雷特點(diǎn)電閃雷鳴釋放的巨大能量，會造成風(fēng)機(jī)葉片爆裂、電氣絕緣擊穿、自動化控制和通信元件燒毀1.1.1 一般雷擊率在年均10雷電日地區(qū)，建筑物高度h與一般雷擊率n的關(guān)系見表1。1.1.2   環(huán)境風(fēng)力發(fā)電特點(diǎn)是：風(fēng)機(jī)分散安置在曠野，大型風(fēng)機(jī)葉片高點(diǎn)（輪轂高度加風(fēng)輪半徑）達(dá)6070 m，易受雷擊；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電氣絕緣低（發(fā)電機(jī)電壓690 V、大量使用自動化控制和通信元件）。因此，就防雷來說，其環(huán)境遠(yuǎn)比常規(guī)發(fā)電機(jī)組的環(huán)境惡劣。1.1.3 嚴(yán)重性風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)電場的貴重設(shè)備，價(jià)格占風(fēng)電工程投資60%以上。若其遭受雷擊（特別是葉片和發(fā)電機(jī)貴重

2、部件遭受雷擊），除了損失修復(fù)期間應(yīng)該發(fā)電所得之外 ，還要負(fù)擔(dān)受損部件的拆裝和更新的巨大費(fèi)用。丹麥LM公司資料介紹：1994年，害損壞超過6%，修理費(fèi)用估計(jì)至少1 500萬克朗(當(dāng)年丹麥裝機(jī)540 MW，平均2.8萬克朗/MW) 。按LM公司估計(jì)，世界每年有1%2%的轉(zhuǎn)輪葉片受到雷電襲擊。葉片受雷擊的損壞中 ，多數(shù)在葉尖是容易被修補(bǔ)的，但少數(shù)情況則要更換整個葉片。雷擊風(fēng)機(jī)常常引起機(jī)電系統(tǒng)的過電壓，造成風(fēng)機(jī)自動化控制和通信元件的燒毀、發(fā)電機(jī)擊穿、電氣設(shè)備損壞等事故。所以，雷害是威脅風(fēng)機(jī)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的嚴(yán)重問題。1.2 葉片防雷研究雷擊造成葉片損壞的機(jī)理是：雷電釋放巨大能量，使葉片結(jié)構(gòu)溫度急劇升高，分

3、解氣體高溫膨脹，壓力上升造成爆裂破壞。美國瞬變特性研究院用人工電暈發(fā)生器，在全復(fù)合材料的葉片做雷擊試驗(yàn)，高電壓、長電弧沖擊（35 MV，20 kA）加在無防雷設(shè)置的葉片上，結(jié)論是葉片必須加裝防雷裝置。TACKE公司設(shè)計(jì)了玻璃鋼防雷葉片（圖1），葉片頂端鉚裝一個不銹鋼葉尖，用銅絲網(wǎng)貼在葉片兩面，將葉尖與葉根連為一導(dǎo)電體。銅絲網(wǎng)一方面可將葉尖的雷電引導(dǎo)至大地，也防止雷擊葉片主體。                  

4、60;     丹麥LM公司于1994年獲得葉片防雷的科研項(xiàng)目，由丹麥能源部資助，包括丹麥研究院雷電專家、風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠、工業(yè)保險(xiǎn)業(yè)、風(fēng)電場和商業(yè)組織在內(nèi)，目的在于調(diào)查研究雷電導(dǎo)致葉片損害，開發(fā)安全耐用的防雷葉片。研究人員在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行一系列的仿真測試，電壓達(dá)16 MV，電流到200 kA，進(jìn)行雷電沖擊，驗(yàn)證葉片結(jié)構(gòu)能力和雷電安全性。研究表明：不管葉片是用木頭或玻璃纖維制成，或是葉片包導(dǎo)電體，雷電導(dǎo)致?lián)p害的范圍取決于葉片的形式。葉片全絕緣并不減少被雷擊的危險(xiǎn)，而且會增加損害的次數(shù)。研究還表明：多數(shù)情況下被雷擊的區(qū)域在葉尖背面（或稱吸力面）。在研究的基

5、礎(chǔ)上，LM葉片防雷性能得到了發(fā)展，在葉尖裝有接閃器（圖2）捕捉雷電，再通過葉片內(nèi)腔導(dǎo)引線使雷電導(dǎo)入大地，約束雷電，保護(hù)葉片，設(shè)計(jì)簡單和耐用。如果接閃器或傳導(dǎo)系統(tǒng)附件需要更換，只是機(jī)械性的改換。1.3 雷害資料數(shù)據(jù)1.3.1 我國個別案例1995年8月，浙江蒼南風(fēng)電場1臺FD16型55 k W風(fēng)機(jī)受雷擊，從葉尖到葉根開裂損壞報(bào)廢。我國各風(fēng)場的雷害，沒有統(tǒng)計(jì)資料。1.3.2 丹麥和德國統(tǒng)計(jì)的雷擊數(shù)據(jù)1.3.2.1 風(fēng)機(jī)雷擊率 丹麥1 200臺、德國1 400臺風(fēng)機(jī)遭雷擊數(shù)據(jù)見表2。德國雷擊率比丹麥高出1倍。除了地點(diǎn)不同，收集時間短(一般認(rèn)為需要15 a),或許有德國的風(fēng)機(jī)平均總高度443 m比丹麥

6、的355 m高等因素。1.3.2.2 雷擊地區(qū)分布德國19921995年雷擊地區(qū)分布數(shù)據(jù)見表3。1.3.2.3 受雷擊損壞部位德國和丹麥風(fēng)機(jī)受雷擊損壞部位數(shù)據(jù)見表4。1.3.2.4  影響利用率德國和丹麥因風(fēng)機(jī)受雷擊損壞造成損失的天數(shù)見表5。1.3.2.5 影響發(fā)電量因風(fēng)機(jī)受雷擊損壞不同部位所影響的發(fā)電量（丹麥）見表6。1.3.2.6 修理費(fèi)用用在修復(fù)受雷擊損壞的風(fēng)機(jī)上的費(fèi)用（德國）見表7。1.3.2.7 德國資料記錄雷擊停機(jī)后可再次順利啟動的大約占105%，說明防雷保護(hù)的作用。1.3.2.8 統(tǒng)計(jì)資料分析通過上述統(tǒng)計(jì)資料分析，可以認(rèn)為：   a）德國、丹麥統(tǒng)計(jì)數(shù)

7、據(jù)說明風(fēng)機(jī)遭雷擊概率高，估計(jì)我國多雷地區(qū)會更嚴(yán)重；      b）安裝在高山的風(fēng)機(jī)，比在低地和海邊更容易受雷擊；   c）控制系統(tǒng)損壞率最高，是雷害薄弱環(huán)節(jié)，電氣系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)損壞概率也不低 ，說明雷電造成的過電壓必須引起重視；d）葉片損壞造成損失電量最多、修理費(fèi)用最大；e）德國記錄雷擊停機(jī)后有大約105%可再次順利啟動，很值得進(jìn)一步研究。1.4 防雷標(biāo)準(zhǔn)及地電阻要求現(xiàn)代的雷電保護(hù)，可分為外部雷電保護(hù)和內(nèi)部的雷電保護(hù)兩部分。按照IEC10241標(biāo)準(zhǔn)，以雷電5個重要參數(shù)，確定保護(hù)水平分IIV級（表8）。如今，風(fēng)機(jī)葉片（如LM葉片）的防雷，

8、是按照IEC10241的級保護(hù)水平設(shè)計(jì)，并通過有關(guān)型式試驗(yàn)，所以，葉片避免直擊雷的破壞大有改善。當(dāng)外部直擊雷打到葉片，將雷電引導(dǎo)入大地也不難。但是，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在離地4050 m機(jī)艙內(nèi)的設(shè)備,和地面控制框設(shè)備都與雷電引下系統(tǒng)有某種相連，雷電流引起過電壓，造成這些設(shè)備的損壞是面廣而棘手的問題。雷電流引起過電壓，取決引下系統(tǒng)和接地網(wǎng)。目前，國際風(fēng)機(jī)廠家對地電阻值的要求(表9)很不一樣：丹麥(Vestas、Micon)允許較大；美國(Zond)西班牙(Made)次之 ；德國(Nordex、Jacobs)要求地電阻值最小。2 葉片防雷設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)原理葉片防雷設(shè)計(jì)總圖葉尖接閃器分類導(dǎo)線分類中部接閃器葉尖接閃器葉尖接閃器底座接閃器與底座的連接螺桿2.2 常見金屬導(dǎo)體電阻率常見金屬導(dǎo)體在20時的電阻率金屬名稱電阻率（單位：m）銀1.65×10-8銅1.75×10-8金2.4×10-8鋁2.83×10