严北斗
大唐云南发电有限公司新能源分公司?云南 昆明 650000
摘要：近年来，在国家的大力提倡之下，清洁能源的使用逐渐被重视起来。其中，风力发电已经成为我国向清洁能源转型的核心之一。但是由于其特殊的建筑环境和本身的建造特点，风力发电机叶片受到雷击的风险不容小觑。目前已有的防范技术在随着风力发电机装机容量的大幅提高已逐渐失去作用。本文旨在对风力发电机叶片的接闪特性进行分析并进一步提出针对现有情况行之有效的防范措施。
关键词：风力发电机；叶片；雷击接闪特性；防护措施；
一、引言
随着生态环境的日益严峻，传统能源的逐渐枯竭，风能作为新型能源之一被逐渐重视。近年来，国家政策也有向这方面大幅度倾斜。但是由于其独特的建筑特性，使其很容易受到雷击的损害。一方面雷击使受击叶片膨胀受损，会直接损坏叶片，使之失去工作能力。另一方面，剧烈的雷击在叶片接闪失败的时候会在短时间内产生剧烈地电磁变化，从而导致风力发电机的集电箱受损，不但造成电力损失，也会使整个风机完全报废。每年由于雷击造成风力发电机损害直接导致的经济损失是相当巨大的数目。针对风力发电机雷击接闪特性进行分析并对接闪系统进行优化是亟待解决的问题。根据多年来的自然观察，将风力发电机的接闪特性分为四个方面：上行先导，旋转叶片接闪特性，风力发电机群边缘效应，沿海易损问题。
二、风力发电机叶片的接闪特性
2.1上行先导
首先，要明白上行先导的物理含义—一种自地面向放电源延伸的电荷先导通道，与之相反的是下行先导现象，下行先导是从放电源向地面逐渐延伸的先导通道，当两种先导通道汇聚在一起时就会产生剧烈地放电现象。近年来，随着风力发电机装箱容量的提升，风机高度和叶片长度逐渐增加，随之而来的则是雷击放电导致损坏的叶片数逐年上升。大量观测数据表明，这是由于上行先导现象引起的。下行先导现象是普遍的，而大型风机出现上行先导的概率要远远大过小型风机，从而导致的剧烈放电现象使叶片材料迅速受热膨胀导致叶片爆裂损坏。同时，也有观测数据表明，冬季的雷击现象导致的叶片损坏更加严重。经反复研究发现，冬季正极性雷电发生频率更高，而正极性雷电对叶片造成的损坏要比负极性雷电造成的损坏更严重。经推测，应是由于在正极性雷电的情况下，上行先导的发展更为顺利，迅速产生大的放电电流使风机的叶片收到损害。更严重的情况下发生多次的电磁变化甚至会使整个风机的电子器件失效，直接造成风机报废。
2.2旋转叶片接闪
相对于静止目标物接闪，风力发电机的叶片是旋转接闪的。在旋转的状态下接闪往往会使现有的叶片接闪系统失效，导致相当严重的损坏。首先，是由于在旋转的时候更容易引发上行先导现象，并且旋转速度越快，上行先导的现象越明显。另外，在旋转的叶片接闪的时候会产生一段弧形放电通道，而弧形放电通道的产生会使得叶片接闪点的位置发生变化，与原有的接闪位置产生偏差，从而导致接闪系统失效。
并且还有学者提出观点，旋转在不同位置的叶片接闪系统接闪能力有所区别，取决接闪点与接闪系统的角度。最后，即使接闪点能够实现接闪功能，由于弧形放电通道的存在也会给叶片表面带来烧灼腐蚀，虽然不会立即导致叶片失效，但是对以后的成功接闪会埋下巨大的隐患[1]。
2.3风力发电机群边缘效应
在种种环境因素的影响下，风力发电机往往集群建造，很多风力发电机都处于风力发电机群之中。在对同多个风力发电机群进行观测之后发现，风力发电机群中心的风机叶片受雷击损伤的概率要远远小于在边缘的风机叶片。也就是说，处于风力发电机群边缘的风力发电机受到雷击的概率要更大，对雷电的吸引能力会更强，也就是说争抢雷电的能力要高于中央集群。但是目前并没有什么科学的论断能阐释清这一特性，但是根据这一特性可以针对性的研究一些边缘低价设施接闪措施来对中央的风力发电机集群进行保护。
2.4沿海易损特性
大量的数据显示，沿海地区的风力发电机更容易受到雷击并损坏。由于海岸线附近的风能资源格外丰富，很多风力发电机选址在海岸线附近。但是研究者发现海岸线附近的风力发电机维护成本要高于内陆风机维护成本。经深入研究发现，由于海岸线附近的风机长时间在海风中运行，风机叶片表面附着了大量的水分和盐分，使得整体风机叶片的到电导率提高，对叶片接闪系统产生了比较严重的影响，原本应被接闪系统分走的雷击电流却被风机叶片导通走，对整个叶片都产生了大电流损害。
三、风力发电机叶片接闪系统防护措施
一个成功的接闪系统应该具备三点因素。第一，应该成功接引雷电，并将雷电的接触范围限制在接闪系统接闪点范围内。第二，最终成功将电流导入大地中。
第三，不产生较大的电磁干扰[2]。
为了实现上述功能，主要将接闪系统分为了三部分。第一部分是叶片接闪系统。这一部分是为了将雷击接引到接闪系统上并限制雷击的接触范围。一个好的接闪系统往往要对接闪器的位置进行考究。目前发现在叶尖的接闪器接闪效果良好，但是却更容易受到大雷电的直击导致损坏。经过多次更换材料保证了叶尖接闪器在雷击的大电流下的完整性，并在接闪器与叶片衔接部分更换了陶瓷材料，对接闪器与叶片衔接部分进行了保护。另外金属网状的接闪器也是一种趋势。或是在叶片中添加导电材料，或是在叶片下贴合网状导电金属，都能很好的接引雷击电流，并且不会对叶片造成损伤。第二部分是引下线，这一部分是为了将接引的雷电导入到大地中，实现对叶片的保护。而导流条的出现能很好地使雷电从接闪器流入引下线从而被导入到大地之中。最后一部分称作旁路分流器。一方面防止电流过大将接引系统损坏，另一方面也能有效防止短时间内产生剧烈的电磁波动导致电子器件损坏。
参考文献:
[1]文习山,邓冶强,王羽,蓝磊,屈路,王健.风力发电机叶片雷击接闪特性研究综述[J].高电压技术,2020,46(07):2511-2521.
[2]何天宇,陈维江,贺恒鑫,时卫东,边凯,李新凯,向念文,黄胜鑫,顾建伟,傅中.风力发电机叶片叶尖段外覆导体接闪系统的雷击防护性能研究[J].中国电机工程学报,2018,38(18):5316-5325.