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风电叶片的雷击损坏维修及防雷改造

2017-01-09 14:28:20来源:全国风力机械标准化技术委员会浏览: 评论:0

  随着风电整机出质保的比例不断增加,机组、叶片因雷损失的比例也不断扩大。2014年业主统计发下按有200余只叶片损坏,其中因雷损失比例高达80%。造成目前叶片因雷损失比例增高的主要原因是叶片防雷设计基本没有进行雷击设计验证、叶片防雷系统有效接闪率低、接闪器设计冗余不足导致的。本文将对叶片的因雷损失进行分析,并提出一种针对既有叶片的防雷改造方案。

  1、叶片防雷系统的缺陷
  
  叶片防雷是一个近年逐渐被提及的问题,早期对于叶片厂、业主而言很少会提及叶片的防雷问题,主要原因在于装机总量低,因雷导致的叶片损坏比例小。而随着全国装机总量的不断突破,装机密度的不断增加,雷电灾害引起的防雷问题,逐渐得到了业主、叶片厂和行业的重视。早期的叶片主要被国外企业所控制,对于国外企业的叶片防雷系统设计耐受水平较低,并不适用与高雷暴活动区域。主要原因在于:以欧洲为代表的叶片制造企业所处的为主均泉流雷电活动较低的地区,年均雷暴活动密度不足每平方公里5个闪电(地闪),这个数据从德国和丹麦多年雷击统计可以发现,在德国和丹麦多年统计的雷击数据总量不如我国一年发生雷击总量;在这种气候条件背景下,国外的叶片防雷设计一直处于较低的耐受水平。而对于国内,我国多数地区属于强雷暴活动区域,加之装机密度高,单位区域的雷电活动比例远远高于国外,因此,采用较低防雷耐受水平的产品在国内必然会出现水土不服的问题,叶片因雷损坏率高就说明了这个问题。

  其次,从技术从面上看,早期的叶片防雷系统并没有进行防雷系统的实验验证。无法从叶片的出厂报告中获知叶片防雷系统的有效接闪率是多少,叶片可耐受的超值雷电流峰值是多少。任何应用于风电行业的产品都是经过试验验证的,而最为重要部件的叶片防雷系统却很少听到有那个厂家做过叶片的雷击试验验证。这就导致了行业中叶片防雷系统有效接闪率低下、防雷系统无效的现状。

  第三,作为叶片防雷系统中最为重要的接闪器、引下线均没有做过任何电流载荷测试。在一个标称为可耐受首次雷击200KA的叶片上我们发现,在通过40KA雷电流的时候接铝合金闪器就已经出现了严重金属升华,造成叶片表面蒙皮因高温造成开裂及损伤。

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  2、叶片雷击损伤的特点
  
  风电叶片根据其损伤的特点可以分为机械性损伤与电气性损伤两种,而机械性损伤又可以根据损伤程度的不同分为功能性损伤和可修复性损伤;电气性损伤可以分为功能性损伤和可修复性损伤。以下我们进行详细的阐述。

  首先,机械性损伤是指叶片因雷电接闪造成了叶片表面及结构发生机械性的损坏,如:叶尖炸开、蒙皮开裂、叶片断裂等问题,那么根据损伤的严重程度,严重的叶片炸裂(断裂)就属于功能性损伤是不具有修复性的,而类似于蒙皮开裂、轻度的由于引下线电磁力导致的叶尖开裂则属于可修复性的损伤。械性损伤中还有很大一部分属于可修复的热效应损伤,例如叶片表面的雷击孔、条状蒙皮开裂。

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  其次,叶片的电气性损伤与机械性损伤不同。电气性损伤有些情况是很难去修复的,例如在叶尖部分的导线熔断问题;电气性损伤主要指接闪器无法耐受超值电流,导致接闪器严重损坏结合叶片镶嵌未至发生开裂、高温膨胀等问题,;因此对于叶片的电气性损伤主要数以工艺材料问题。

  3、叶片的接闪原理与改造

  叶片的接闪主要是由于在高电场条件下,地表任何物体表面都存在静电电荷,晴天条件下大气电场强度为120V/m,在雷雨发生前的电器电场强度为3.4Kv/m.风力发电机组表面及叶片表面都会存在静电电荷。当大气电场强度不断变化时,由于叶片属于非金属物体,在晴天条件下叶片表面只有很少的静电电荷。叶片作为一种空腔结构,在晴天时属于非导体空腔,腔内引下线表面附着有静电电荷;当下雨打雷时叶片表面受到水膜作用实质变性为导体空腔,受到高电场作用,叶片内部的引下线会产生大量的感应正电电荷,在静电平衡的作用下,叶片内部底层带等电量的负电荷,在叶片表面水膜层带等量正电荷,在水膜运行的作用下电荷从叶根向叶尖流动。由于叶片表面的电荷量的增加,在叶片表面和叶尖接闪器(全金属叶尖接闪器)上都会形成上行先导,上行先导的数量由叶片所处电场强度决定。当叶片表面形成的上行先导与雷雨云形成的下行先导贯通时,形成接闪通道。

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  3.1叶片表面接闪通道的选择性在雷雨时叶片整体变形为导电腔体,叶片表面受到叶片内部引下线感应的同步等量的电荷,在水膜作用下流动,在单位面积内形成与叶片引下线及人工定位放电装置相同的上行先导,这时叶片上行先导与雷云下行先导之间会存在击穿选择性。

  雷电先导(如图5)在击穿空气时会选择阻抗更低的通道继续下行,其击穿空气传导的速度为20-50m/us。按照其最快的传导50m/us的速度计算,下行先导与上行先导在最短击距350m的时间约为6us,考虑到无法判定叶片在接闪瞬间时是处于脱网、满发或其它运行工况,因此假定在17转/min的满发工况条件下,来计算叶片在5-6us时间的行进弧度。同时,由于叶片的长度不同,在相同时间内叶片行进弧度同样也会存在差异,因此,我们以叶片人工定位放电装置所形成的先导为主要的参考量(叶片人工定位放电装置按照5cm直径考虑)。

  假定在雷雨时,叶片表面及人工定位放电装置存在多个上行先导,且人工定位放电装置上的上行先导1与雷云下行先导在第1us时存在导通趋势。在第6us雷云下行先导与上行先导将导通时,由于此时叶片已经发生偏转,人工定位放电装置上的上行先导1也随之发生位移(如图5),此时可能是叶片表面的上行先导2反而处于优势位置,最终叶片表面的上行先导2与雷云下行先导贯通,形成主放电通道,人工定位放电装置反而并未有效接闪如图6的实验室的试验也表明了这种情况发生的可能。

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  3.2叶片的防雷改造
  
  以上我们了解到,叶片的有效接闪率较低的一个重要原因在于叶片表面可以提供接地通道的上行先导数量较少,更多的上行先导是基于叶片表面触发生成的,而叶片接闪器所形成的上行先导不具有绝对优势,因此,造成接闪器所形成的上行先导有效导通率低下,造成叶片的损坏率提高。在国外,我们很成功的将应用于航空领域的雷电分流器引入风电行业。应用于航空领域的雷电分流器组要原理是在飞机表面(玻璃钢结构)形成上行先导,用于引导雷电附着点,将雷电流定向的引至泄放点或接地点。

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  应用于风电的雷电分流器是在航空产品的基础上进行升级改造的全新一代产品,这种结构机械镶嵌结构与国内普通表面粘贴导体的结构相比,具有更稳定的表面风蚀、雨蚀及更强的抗盐雾性能。通过对多个项目的应用于改造均取得了良好的使用效果。

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  雷电导流条的工作原理是基于高频电流的集肤效应,雷电流属于高频电流的范畴;在正常工况下,叶片表面导流条行程上行先导并成功导通后,雷电流会沿导流条表面导体传导至接闪器位置并击穿放电,在实验室验证证明该产品可以有效通过230KA,10MJ的能量冲击。

  在工程改造方面,雷电导流条具有的简单、低成本的改造方案赢得了用户的亲睐,我们成功的在国内的多个高雷暴活动区的机组上成功安装并运行。雷电导流条的应用在提高叶片的有效接闪率的同时压缩了叶片因雷的损失比例,保障了机组在雷雨季节的安全运行。

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