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风力发电机直击雷的防护 摘要：本文介绍了风力发电机叶片的结构特点和直击雷防护措施，对于目前常用的直击雷防 护措施进行了分析和比较，并就风力发电系统接地工程提出了一些建议。 关键词：风力发电；直击雷防护；新能源 引 言 风力发电是新能源产业中的重要组成部分，截至2007 年全球风电装机容量已经突 破 9 万 MW，我国预计到2010 年风电装机容量将达到 2000 万kW ，年发电量为 400 亿k W ·h 。可见，未来几年风电产业将成为国内的支柱产业，也将带动一批相关的上下游产业 的高速发展，风电系统防雷也将成为重要的组成部分。 1 风电防雷系统的组成 针对风力发电机组的防雷，按照风力发电机的结构特点可分为直击雷防护和雷电电 磁脉冲防护两部分: 1.1 风力发电机的直击雷防护 (1) 叶片的直击雷防护； (2) 机舱及塔桶的等电位链接； (3) 风机的接地设计 1.2 风力发电机雷电电磁脉冲防护系统的组成 (1) 电控系统的雷电电磁脉冲防护; (2) 信号控制系统的雷电电磁脉冲防护; (3) 等电位及屏蔽防护 本文重点介绍风力发电系统直击雷防护系统中叶片的防雷特点和工程接地。 2 风力发电机组叶片的防雷 从图1 可见，风力发电机组中最高部分就是叶片的最高高度，当叶片运行到最高高 度时，即可视为避雷针形成引雷通道，是目前全球范围风力发电机遭雷击破坏影响最大 的一种情况。对于风力发电机的叶片防雷，全球各风电设备制造厂商都采取了不同的防 护措施，也都取得了一定的效果，对于目前行业中风电叶片的防雷措施本文也会做一下 简单的比较。 图2 叶片的雷电放电测试(LM 公司资料) 2.1 叶片的结构 目前，风力发电机组的叶片都是由复合材料制成的大型中空结构，如玻璃纤维增强的复 合材料GRP(玻璃钢材料)，木材、复合板材和碳纤维增强塑料（CRP ）。碳纤维增强塑料（C RP ）一般用于加强叶片的结构或特殊元件（如：带翼尖失速制动装置）的叶片变浆轴。早 些时间，一些观点认为雷电不会击中绝缘材料制成的叶片上，可是，实际的运行经验彻底的 打破了这种观点，事实上，雷电会击中没有任何金属材料的叶片上，从而导致整机的火灾。 图3 叶片遭雷击后形成的火灾 2.2 不同叶片的特点 根据叶片的控制和制动方式不同，风机的叶片可分为以A、B、C、D 四种类型. 2.2.1 A 型叶片的特点 A 型叶片将前缘外部的一个副翼作为制动翼,对于这种叶片雷击点较多的出现在钢折板 的铰接处,由于控制折板的钢丝没有足够的通流能力,造成控制折板的钢丝熔断; 图4.不同系统中的叶片 2.2.2 B 型叶片的特点 相对于A 型叶片,B 型叶片在制动上采取了叶尖制动的方式,而这种制动方式同时把叶尖 作为雷击的接闪点,当雷电通过叶尖接闪后雷电电弧从叶尖点开始到主轴与叶片的链接法兰 之间形成电弧,这种电弧将造成叶片的整体爆裂, 目前这两种叶片基本上已经淘汰，仍在使用 的基本是老式的100kW 以下的风力发电机。 2.2.3 C 型叶片的特点 这种叶片是目前行业中常用的一种新型叶片,它与B 型叶片相似。与B 型叶片相比,这种 叶片造成的电弧张力相对损失会更严重,为了避免这种情况,17 米的叶片内部使用的钢丝直 径都大于10mm，由于加强了钢丝的通流能力,所以这种叶片在遭雷击后较少出现整个叶片 爆裂的情况。 2.2.4 D 型叶片的特点 D 型叶片是完全的非金属材料制成的,有试验表明,这种非金属材质的叶片在运行一段时 间后, 由于表面的污浊和盐雾侵蚀，叶片的表面等效于导体材料,这种叶片也会经常遭到雷击. 2.3 叶片遭雷击的损坏机制 叶片遭雷击的典型后果是叶片的开裂,复合材料表面的烧灼损坏,或者有金属部件的烧毁 及融化；而对于雷电在叶片内部形成电弧时,对叶片的损坏最为严重,当雷电击中叶片后叶片 内部中的空气会迅速膨胀,这种膨胀可能是由于叶片内部的残留潮湿空气或者瞬间高温产生 的空气膨胀,瞬间的压力冲击会使整个叶片爆裂,严重时压力波会通过轮毂传导到没有遭雷击 的叶片上,而引起连锁的损坏。 避免雷电击中叶片后形成的内部压力的最好办法是将雷电通道屏蔽在叶片的外