郭寧李春曦葉學(xué)民/華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院

風(fēng)力機(jī)組防雷技術(shù)研究

郭寧李春曦葉學(xué)民/華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院

風(fēng)力發(fā)電是一種清潔的可再生能源，近年來快速發(fā)展。隨風(fēng)力機(jī)出力需求的不斷增大，風(fēng)力機(jī)塔筒高度和葉片直徑隨之增加，但與此同時(shí)，也增加了風(fēng)力機(jī)遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)，因此風(fēng)力機(jī)組防雷技術(shù)的研究不容忽視。在雷擊損壞中，葉片最易遭受雷擊，本文針對(duì)國內(nèi)外的研究成果，對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片雷擊損壞機(jī)理及其防雷措施作了比較全面的闡述，最后分析對(duì)比了風(fēng)力機(jī)組的兩種防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使整個(gè)風(fēng)機(jī)機(jī)組雷擊損壞降至最低，為風(fēng)力機(jī)防雷設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

風(fēng)力機(jī)組；葉片；防雷保護(hù)；接閃器；引下線

0 引言

風(fēng)能是一種環(huán)境友好型的可再生潔凈能源，在過去十年里，風(fēng)能技術(shù)發(fā)展迅猛，風(fēng)能已經(jīng)成功躋身當(dāng)前技術(shù)最成熟、最具開發(fā)條件的高效能源行列。全球變暖問題的日益突出更是加速了風(fēng)能進(jìn)一步開發(fā)和深入研究。根據(jù)國際風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）的報(bào)告顯示，截止2010年，全球風(fēng)能裝機(jī)容量大約200GW，并預(yù)測(cè)到，在未來五年內(nèi)將有大幅度的增長，到2015年，累計(jì)裝機(jī)容量可能達(dá)到450GW[1]。我國風(fēng)能資源豐富，總量大約25億千瓦，累計(jì)裝機(jī)容量到2010年底已超過美國，躍居世界第一[2]。

隨著風(fēng)力機(jī)組容量的增大，輪轂高度也從50米增至150米，一個(gè)葉片就達(dá)到30多米，而且風(fēng)力機(jī)一般分散在空曠原野、山頂或海上，因此雷擊就成為影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全的一個(gè)重要因素。在我國雷擊損壞情況較為嚴(yán)重，近年來僅風(fēng)力機(jī)葉片的雷擊年損壞率就達(dá)5.5%[3]。據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[2]，風(fēng)機(jī)雷擊事故中，葉片的損壞事故占總數(shù)的20%，控制系統(tǒng)、電子系統(tǒng)和傳感器各占36%，26%和12%，其它部位雷擊損壞僅占6%。葉片處于風(fēng)電機(jī)組的最高位置，形狀細(xì)長，極易在頂端形成尖端放電，觸發(fā)迎面先導(dǎo)，引發(fā)雷擊。由于葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)接受風(fēng)能的部件，因此葉片結(jié)構(gòu)好壞直接影響葉片接受風(fēng)能的效率和葉片的壽命。另外，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(gè)葉片，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)修補(bǔ)或更新的費(fèi)用。因此，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的雷擊損壞情況進(jìn)行分析，并采取有效的防護(hù)措施對(duì)于風(fēng)力機(jī)組的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

目前，國內(nèi)對(duì)風(fēng)力機(jī)雷電保護(hù)的研究還處于起步階段[2-6]，國外在這方面的研究相對(duì)較多[7-16]，本文結(jié)合國外的研究資料，分析風(fēng)力機(jī)葉片遭遇雷擊時(shí)的損害機(jī)理及其防護(hù)措施，為我國風(fēng)力機(jī)在雷擊自然災(zāi)害下的安全運(yùn)行提供參考。

1 葉片遭受雷擊的損壞現(xiàn)象及機(jī)理

雷擊通常有三種形式：直擊雷、感應(yīng)雷以及球形雷。由于葉片位置最高，是最易受直擊雷的部件，因此葉片的損壞都和直擊雷有關(guān)。直擊雷造成葉片損壞主要是熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和電效應(yīng)破壞。葉片遭遇雷擊的典型后果是葉片開裂（機(jī)械損壞），復(fù)合材料表面灰化以及雷擊點(diǎn)的金屬部件燒毀或熔化（熱效應(yīng)）；而雷電在風(fēng)力機(jī)葉片內(nèi)形成電弧將導(dǎo)致最嚴(yán)重的損壞，雷電釋放的巨大能量，使得葉片結(jié)構(gòu)溫度急劇升高，分解葉片內(nèi)部氣體，高溫膨脹壓力上升，當(dāng)雷電流傳到復(fù)合材料層之間時(shí)，因?yàn)閷娱g存在潮氣，內(nèi)部電弧加熱潮氣引起壓力沖擊使葉片爆裂或使葉片表面沿著前后緣和葉片承載梁處撕裂損壞（小至葉片表面發(fā)生裂紋，大到葉片完全碎裂）。有時(shí)，壓力波會(huì)通過輪轂從受雷擊的葉片傳到其它葉片上而引起連鎖損壞。因此，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)葉片嚴(yán)重?fù)p壞的是葉片內(nèi)部的雷電弧周圍形成了壓力沖擊波，而避免這一現(xiàn)象的辦法是將雷擊通道屏蔽在葉片外部，或者減少雷電對(duì)葉片的沖擊壓力，當(dāng)雷電弧在葉片外表面形成或當(dāng)傳遞雷電流的金屬部件的截面積足夠大時(shí)，風(fēng)力機(jī)葉片的損壞會(huì)比較小。風(fēng)力機(jī)葉片表面遭遇雷擊時(shí)的損壞現(xiàn)象見圖1。

圖1 風(fēng)力機(jī)葉片遭遇雷擊的損壞現(xiàn)象圖

目前，葉片防雷保護(hù)的主要思路是將雷電流安全地從雷擊點(diǎn)傳導(dǎo)到接地輪轂[19-22]，從而避免葉片內(nèi)部雷電電弧的形成。從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及相關(guān)研究表明，多數(shù)葉片遭受雷擊的部位主要是葉尖背面（或吸力面）[3]及邊緣位置。丹麥LM公司在不斷研究的基礎(chǔ)上，葉片防雷性能得到了發(fā)展，在葉尖裝有接閃器（見圖2），然后通過葉片內(nèi)腔的金屬導(dǎo)體作為引下線，連接接閃器和輪轂處的法蘭，通過輪轂與塔筒的等電位連接系統(tǒng)將雷電流泄放，保護(hù)葉片。該方法設(shè)計(jì)簡單又耐用，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，而且不影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)原有的氣動(dòng)性能特性，所以被葉片制造商廣泛采用。

圖2 LM公司風(fēng)力機(jī)防雷片圖[3]

2 葉片防雷措施

2.1 利用孤立的避雷塔捕捉雷電[12]

該保護(hù)方法是在風(fēng)力機(jī)旁邊豎立一座避雷塔來主動(dòng)攔截雷電，使得旁邊的風(fēng)力機(jī)免受雷擊。在雷暴天氣下，當(dāng)風(fēng)向固定或變化不大時(shí)，該方法相當(dāng)有效，此時(shí)，避雷塔應(yīng)該建立在風(fēng)力機(jī)迎風(fēng)側(cè)；對(duì)于風(fēng)向變化大的情況，必須豎立兩個(gè)或多個(gè)避雷塔才能夠起到保護(hù)風(fēng)力機(jī)的效果，但是建立一座高避雷塔需要耗費(fèi)大量鋼材，對(duì)于農(nóng)村、海島等邊遠(yuǎn)地區(qū)，不實(shí)際也很不經(jīng)濟(jì)。另外，此辦法不適合單臺(tái)風(fēng)力機(jī)，而適合幾十臺(tái)風(fēng)力機(jī)形成的風(fēng)場(chǎng)，多臺(tái)風(fēng)力機(jī)共用一座避雷塔。

2.2 機(jī)艙上安裝避雷針避免葉片損壞[12]

為了確保大部分雷電流被機(jī)艙上的避雷針捕捉，避雷針應(yīng)該足夠長。雖然機(jī)艙上的避雷針比葉片的長度要短，但是它的使用有效地降低了葉片損壞，原因有兩個(gè)：1）安裝在機(jī)艙的避雷針能夠捕獲一部分雷閃放電，降低了葉片的雷擊概率和電流大小，從而使得葉片的破壞程度降低。但是，如果葉片表面污濁或受鹽霧侵蝕（海上風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)常遇到），葉片表面就等效于導(dǎo)體材料，則機(jī)艙上的避雷針的效果就會(huì)降低；2）當(dāng)三個(gè)葉片中的一個(gè)與地面垂直，則此時(shí)葉片頂端的高度是機(jī)艙和葉片長度的和，但是若葉片與垂直方向成60°，則其高度就是機(jī)艙和1/2葉片長度的和，此時(shí)機(jī)艙上避雷針的效果就很突出。因此，在整個(gè)運(yùn)行過程中，機(jī)艙上安裝避雷針有助于風(fēng)力機(jī)葉片雷擊保護(hù)。

2.3 普遍的葉片防雷措施

前面兩種措施通過降低雷擊葉片的概率抑或是通過葉片的電流大小來間接保護(hù)風(fēng)力機(jī)葉片。但是要深程度的降低葉片雷擊損壞，就必須從葉片自身出發(fā)來探究其雷電保護(hù)措施。通常有兩種方法：一種是通過在葉片外表面或內(nèi)部安裝金屬導(dǎo)體將雷電流從雷擊點(diǎn)傳導(dǎo)到葉片根部，然后通過輪轂與塔筒的等電位連接系統(tǒng)將雷電流導(dǎo)入大地；另一種是在葉片表面添加導(dǎo)電材料，使雷電流沿葉片表面?zhèn)鲗?dǎo)，從而避免葉片內(nèi)部雷電電弧的形成。

2.3.1 葉片外表面或嵌入表面安裝接閃器的雷電保護(hù)系統(tǒng)

圖3葉片的不同防雷措施圖[5]

圖3 展示了四種不同葉片的雷電保護(hù)系統(tǒng)。其中類型A，B在葉片表面尖端嵌入一個(gè)金屬裝置作為接閃器，在葉片內(nèi)部布置金屬導(dǎo)體作為引下線，將接閃器處的雷電流傳導(dǎo)至葉根。A中翼型由于安裝有葉尖制動(dòng)裝置，所以用控制葉尖端的鋼絲來代替在葉片內(nèi)部預(yù)制導(dǎo)線（類型B）作為引下線。葉片表面安裝接閃器的目的是希望雷電僅僅擊中葉片的設(shè)計(jì)規(guī)定位置，即接閃器，以控制雷電流安全的導(dǎo)入大地。然而，長葉片的雷擊點(diǎn)不一定是葉尖接閃器，長度大于30m的葉片，至少應(yīng)該安裝兩個(gè)以上接閃器[5]。而對(duì)于嵌入葉片表面的接閃器或引下線，如類型C，是將金屬導(dǎo)體沿著葉片前緣與后緣植入葉片表面。

除了圓形（或盤狀）接閃器外，還有一種保護(hù)方法是在葉尖安裝帶有引下線系統(tǒng)的金屬帽，在文獻(xiàn)[12]的實(shí)驗(yàn)中，用銅帶作為接閃器覆蓋了樣本葉片前端的260mm的部分，實(shí)驗(yàn)中葉片被傾斜放置，見圖4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)帶圓盤形接閃器的雷擊保護(hù)裝置，該類型的葉片防雷系統(tǒng)具有相對(duì)高的保護(hù)效果，Arinaga等[23]進(jìn)行的雷擊模擬實(shí)驗(yàn)也同樣得到相同的結(jié)論。

圖4 帶有導(dǎo)電帽的樣本葉片的放電方式圖[12]

2.3.2 葉片表面添加導(dǎo)電材料

研究表明，葉片全絕緣并不減少被雷擊的危險(xiǎn)，而且會(huì)增加損害的次數(shù)[3]。在航空工業(yè)中，機(jī)翼的雷電保護(hù)系統(tǒng)常在機(jī)翼外表添加導(dǎo)電材料，以便減少對(duì)雷擊點(diǎn)的小面積的損壞。導(dǎo)電材料可以噴涂在復(fù)合材料的表面，或者是位于復(fù)合材料表面的金屬網(wǎng)，也可以沿著葉片殼體兩側(cè)，將金屬網(wǎng)植入葉片表面漆的下面（如圖3中類型D）。

由于風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量的增加，風(fēng)力機(jī)葉片長度隨之增加，截止到2010年，記錄的最長風(fēng)力機(jī)葉片大概為60m[24]，幾乎接近商業(yè)飛機(jī)的長度（80m）。因此，在葉尖安裝一個(gè)接閃器已經(jīng)無法滿足葉片防雷需要，雖然增加雷電接閃器的數(shù)量能夠改善雷電保護(hù)效率，但也增加了葉片的重量和成本。Madsen等[9]指出，可以通過改善葉片材料擊穿特性，來降低雷電擊穿表面的風(fēng)險(xiǎn)。文章中基于IEC60243-3《固體絕緣材料的電氣強(qiáng)度試驗(yàn)方法》描述了評(píng)估風(fēng)力機(jī)葉片材料的擊穿和承受電壓的測(cè)試方法，模擬了雷電擊穿絕緣材料層向內(nèi)部接地導(dǎo)線放電的情形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，葉片復(fù)合材料厚度的增加，使得擊穿和承受電壓降低，特別是對(duì)于由層壓板和涂料層組成的葉片或是單獨(dú)由層壓板制成的葉片，這種效果很明顯，而涂料層厚度對(duì)葉片擊穿和承受電壓的影響卻不大；另外，當(dāng)厚度達(dá)到某一值時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)減小幅度降低，這是因?yàn)椴牧现幸欢ê康目諝馇灰鸬捏w積效應(yīng)造成的。

2.4 其它葉片防雷技術(shù)

2.4.1 葉片上安裝背面電極

盡管許多大型風(fēng)力機(jī)葉片安裝有接閃器，但是雷擊損壞葉片的事故仍然發(fā)生[25-26]。因此，對(duì)裝有接閃器的葉片很有必要研究新的雷擊保護(hù)方法。Minowa等[7]認(rèn)為通過使用背面電極，能夠使雷電放電平穩(wěn)地導(dǎo)向接閃器（見圖5），進(jìn)而完成了關(guān)于設(shè)置背面電極對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片雷擊保護(hù)影響的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，采用背部電極能夠?qū)︼L(fēng)力機(jī)葉片提供防雷保護(hù)[27]，并且制作了帶有背面電極的測(cè)試模型葉片來完成關(guān)于背面電極影響雷擊損壞的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法及測(cè)試模型葉片見圖6和圖7。

圖5 帶有背面電極的葉片沿面放電平穩(wěn)的傳至接閃器圖[7]

圖6 測(cè)試方法圖[7]

實(shí)驗(yàn)中，施加在電極上的雷電沖擊波頭時(shí)間與波長時(shí)間分別為1.0/40μs，采用升降法來測(cè)試背面電極上50%的閃絡(luò)電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8，測(cè)試1中放電全部擊中接閃器，50%的閃絡(luò)電壓值為-170kV，而測(cè)試2中，放電沿背面電極平穩(wěn)地傳導(dǎo)至接閃器，50%的閃絡(luò)電壓值為-188kV。然而在該實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試模型葉片被擊穿，分析原因可能是測(cè)試葉片材料GFRP內(nèi)部存在影響擊穿特性的空腔所致。另外，Minowa等[7]通過另一個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)被3%或5%濃度鹽水濺濕的葉片，表面上的閃絡(luò)電壓降低為干燥時(shí)的一半。因此可以認(rèn)為海上的風(fēng)力機(jī)葉片表面被海水濺濕對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片防雷擊保護(hù)有影響。

圖7 測(cè)試模型葉片及背面電極的尺寸圖[7]

2.4.2 引下線的布局對(duì)雷電保護(hù)的影響

通常情況下，一個(gè)雷電保護(hù)系統(tǒng)的引下線可以安裝在葉片內(nèi)部或外部，然而采用內(nèi)部引下線已經(jīng)成為葉片制造商普遍采用的防雷措施，很大程度上是出于維護(hù)風(fēng)力機(jī)原有的氣動(dòng)特性，但是這種方法可能存在葉片遭受雷擊時(shí)分解、點(diǎn)燃的危險(xiǎn)。Ayub等[13]探究了安裝外部引下線對(duì)葉片防雷更有利的可能性。作者以地面上其他結(jié)構(gòu)的防雷系統(tǒng)為例說明，例如居民房屋，某個(gè)結(jié)構(gòu)雷電保護(hù)系統(tǒng)的組成元件具體如何互相連接完全取決于地面上該結(jié)構(gòu)的幾何形狀，只要雷閃放電限制在防雷系統(tǒng)中，該結(jié)構(gòu)受到的破壞就會(huì)大幅度降低。同時(shí)介紹了風(fēng)力機(jī)葉片粗糙度、尾流湍流度對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響，權(quán)衡考慮之后，作者認(rèn)為，和內(nèi)部引下線相比，風(fēng)力機(jī)葉片外表面安裝雷電保護(hù)系統(tǒng)，即接閃器和引下線，能夠降低雷擊損壞的風(fēng)險(xiǎn)。然而，伴隨以下幾個(gè)問題需要進(jìn)一步研究，例如：

1）葉片外部表面安裝引下線可能危害它的氣動(dòng)性能，這種危害在哪個(gè)范圍內(nèi)能夠接受？

2）葉片表面引下線的存在能作為雷擊的外部連接點(diǎn)，一個(gè)引下線是否足夠？

3）外部引下線的安裝減少了雷電流流向葉片表面的危險(xiǎn)，從而降低了葉片分裂的可能，因此要求保持無電流泄漏。

2.5 風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)對(duì)雷擊的影響

現(xiàn)在大型的風(fēng)力機(jī)均采用變槳距功率調(diào)節(jié)方式，由于其避免了定槳距調(diào)節(jié)方式中超過額定風(fēng)速時(shí)發(fā)電功率下降的缺點(diǎn)，因此在風(fēng)力機(jī)運(yùn)行期間，雷擊點(diǎn)會(huì)隨著葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)安裝角變化而移動(dòng)[12]。在Branko[11]從理論分析和實(shí)驗(yàn)研究兩個(gè)方面闡述風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)對(duì)雷擊的影響。在高壓試驗(yàn)室中，對(duì)特殊設(shè)計(jì)的拱形電極（或沿絕緣拱形筒分散布置的數(shù)個(gè)桿狀電極）與變頻控制尺寸縮小的風(fēng)力機(jī)模型葉片間加載沖擊電壓，在風(fēng)力機(jī)葉片尖部安裝接閃器，應(yīng)用升降法來測(cè)定葉片上50%的閃絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)電壓。根據(jù)相似理論，文章討論了風(fēng)力機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的大氣放電特性。研究表明，由于葉片的旋轉(zhuǎn)使得葉片上接閃器區(qū)域的直擊雷減少；在雷電和高風(fēng)速的極端天氣下，風(fēng)力機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)速度不應(yīng)該低于其臨界速度，這樣會(huì)使得葉片上空氣終端系統(tǒng)（即接閃器）區(qū)域處的直擊雷數(shù)量減少，由此引起的破壞性降低。

3 風(fēng)力機(jī)組防雷保護(hù)系統(tǒng)

前面詳細(xì)介紹了風(fēng)力機(jī)葉片的防雷技術(shù)，但是要保證整個(gè)風(fēng)力機(jī)能夠安全可靠運(yùn)行，必須使風(fēng)力機(jī)每個(gè)部件都免遭雷擊，即要有一套合理的風(fēng)力機(jī)防雷系統(tǒng)。

圖9 風(fēng)力機(jī)的雷電保護(hù)系統(tǒng)圖[16]

傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)防雷保護(hù)系統(tǒng)如圖9(a)，即在葉片上安裝接閃器，然后將雷電流由與接閃器連接的引下線（截面積一般為50mm2）導(dǎo)入大地，僅僅保護(hù)了葉片，但是如果這部分沒有正常工作，雷電流將毀壞所有流經(jīng)過的部件，包括葉片，機(jī)艙內(nèi)的機(jī)械、電氣及電子元件，進(jìn)而造成風(fēng)力機(jī)塔筒倒塌，甚至可能導(dǎo)致接地系統(tǒng)電壓升高，產(chǎn)生跨步電壓和接觸電壓危及人身安全[15]。因此，Hooman[16]提出了另外一種方案如圖9（b）。圖中，在機(jī)艙附近安裝兩個(gè)環(huán)形電極，一個(gè)垂直連接在前錐體上，另一個(gè)位于機(jī)艙下部的塔筒頂端處，為了避免葉片旋轉(zhuǎn)和機(jī)艙轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生機(jī)械摩擦，兩個(gè)環(huán)形電極之間有一窄隙。來自接閃器的雷電流通過傳導(dǎo)線到達(dá)上部環(huán)形電極，在兩個(gè)電極之間電場(chǎng)逐漸增大最終擊穿，接著向下導(dǎo)至地面接地系統(tǒng)。該方法可以將雷電流引向大地而不是風(fēng)力機(jī)的其他部件。然而，有時(shí)雷電的電壓和電流非常大，以至于不能通過兩個(gè)簡單的環(huán)形電極將雷電導(dǎo)入大地，為了解決該問題，可以在環(huán)形電極周圍纏繞一些線圈。當(dāng)葉片并未將雷電流傳導(dǎo)至風(fēng)力機(jī)的其他部位，例如軸，而是導(dǎo)入上部環(huán)形電極時(shí)，這種方法就很有效；當(dāng)電流傳導(dǎo)至軸上時(shí)，由于軸上安裝了扼流圈，能夠吸收來自軸的電流能量，即軸上的電流在扼流圈上產(chǎn)生磁通量，誘導(dǎo)其產(chǎn)生感應(yīng)電流，然后將感應(yīng)電流在扼流圈上產(chǎn)生的熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中，使得軸上的電流減少。

該方案克服或減少了前一種方案的缺陷，它盡量避開風(fēng)力機(jī)內(nèi)部部件，但當(dāng)雷電觸及到內(nèi)部元件時(shí)，可以通過扼流圈阻止雷擊或者減少雷擊造成的破壞。

4 結(jié)論

雷擊是影響風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行安全的重要因素，故對(duì)風(fēng)力機(jī)組防雷技術(shù)的研究刻不容緩。本文結(jié)合了國內(nèi)外關(guān)于風(fēng)力機(jī)防雷技術(shù)的研究資料，分析了葉片雷擊損壞的現(xiàn)象與機(jī)理，闡述了風(fēng)力機(jī)葉片的多種雷電防護(hù)措施，綜合考慮傳統(tǒng)與改進(jìn)后風(fēng)力機(jī)組防雷系統(tǒng)的外部和內(nèi)部防雷措施，對(duì)比分析其優(yōu)缺點(diǎn)，以使風(fēng)力機(jī)組雷擊損壞降至最低。為雷暴環(huán)境中風(fēng)力機(jī)組安全持續(xù)運(yùn)行提供可靠保證，對(duì)國內(nèi)發(fā)電機(jī)組防雷設(shè)施的研究和開發(fā)提供借鑒。

目前，對(duì)于風(fēng)力機(jī)組的防雷技術(shù)大多是處于理論與實(shí)驗(yàn)室研究模擬測(cè)試階段，實(shí)驗(yàn)中測(cè)試用的模型大多數(shù)是尺寸縮小的葉片，而實(shí)際中風(fēng)力機(jī)的葉片足夠長，在雷擊過程中，可能會(huì)出現(xiàn)葉片強(qiáng)度方面的問題，例如葉片中間某處折斷，故實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該考慮該因素。

[1]Globalwind energy council(GWEC),“Globalwind 2010 report”, GWEC publication[Online],Available:http://www.gwec.net.

[2]武寧，馬貴東.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電防護(hù)技術(shù)[J].硅谷，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2012(12)：37-38.

[3]何顯富，盧霞，楊躍進(jìn)，等.風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[4]洪華芳，周歧斌，邊曉燕.風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的雷擊損傷與雷電保護(hù)[J].華東電力，2009，37(10)：1778-178.

[5]曾明伍，趙萍，鐘賢和，等.風(fēng)電葉片的防雷技術(shù)及應(yīng)用[J].東方汽輪機(jī)，2012（1）：13-19.

[6]孫大鵬，呂躍剛.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷保護(hù)[J].中國電力教育，2008（S3）：661-663.

[7]Minowa M,Sumi S I,et al.A Study of Lightning Protection for Wind Turbine Blade by Using Creeping Discharge Characteristics[C].2012International Conference on Lightning Protection(ICLP),Vienna,Austria2012.

[8]Hernández YM,Stimper K,etal.An Experimental Approach of the Effects of Lightning Currents on Rotor Blade Tips of Wind Turbines[C].2012International Conference on Lightning Protection(ICLP),Vienna,Austria2012.

[9]Madsen SF,Larsen FM,et al.Breakdown Tests of Glass Fiber Reinforced Polymer(GFRP)as Part of Improved Lightning Protection ofWind Turbine Blades[C].Conference Record of the 2004 IEEE International Symposium on Electrical Insulation, Indianapolis,INUSA,19-22September2004:484-491.

[10]Hossein B,Hossein K K.Effects of Location Size and Number of Wind Turbine Receptors on Blade Lightning Protection by Voltage Distribution Analysis[C].2011International Conference on Advanced Power System Automation and Protection(APAP2011),Beijing,China,16-20 October2011: 1343-1348.

[11]Branko M.Radi evi,Milan S.Savi,et al.Impact of Wind Turbine Blade Rotation on the Lightning Strike Incidence-A Theoretical and Experimental Study Using a Reduced-Size Model[J].Energy,2012(45):644-654.

[12]Yokoyama S.Lightning Protection of Wind Turbine Blades[J]. Electric Power SystemsResearch,2013,(94):3-9

[13]Ayub A S,Siew W H,MacGregor S.J.Lightning Protection ofWind Turbine Blades-An Alternative Approach[C].2011 7thAsia-Pacific International Conference on Lightning, Chengdu,China,1-4November2011:941-946.

[14]YASUDA Y,YOKOYAMA S.Proposal of Lightning Damage Classification to Wind Turbine Blades[C].2011 7thAsia-Pacific International Conference on Lightning, Chengdu,China,1-4November2011:368-371.

[15]Reynaldo Z,Agus P.The Use of Wind Turbine Structure for Lightning Protection System[C].2011International Conference on Electrical Engineering and Informatics,Bangdung,Indonesia, 17-19July2011.

[16]Hooman T Z.Wind Turbines Protection against the Lightning Struck Using a Combined Method[C].2012Second Iranian Conference on Renewable Energy and Distributed Generation, Iran,2012:51-54.

[17]Honjo A.Actual Situations,Countermeasures and Authorizations of Lightning Damages ofWind Turbine[C].16th EMCEnvironment Forum,Japan,2010:12-20.

[18]Web site of Shimane Bureau of Enterprise,Shimane Prefecture, Japan[in Japanese]http://www.pref.shimane.lg.jp/kigyo/pr/ raigai_2.htm l.

[19]Richard K.Case Study of Lightning Damage toWind Turbine Blade[J].June2008,National Lightning Safety Institute（NLSI）

[20]Bruce G.Effective Lightning Protection for Wind Turbine Generators[J].IEEE transactionson energy conversion,2007,22 (l):214-222.

[21]Naka T,Vasa N J,etal.Study on Lightning Protection Methods for Wind Turbine Blades[J].IEEJTransactions on Power rand Energy,2005,125(10):993-999.

[22]Lewke B,Kramer S,et al.EMC Analysis of a Wind Turbine Blade’s Lightning Protection system[J].2007 IEEE.

[23]Arinaga S,Inoue K,etal.Experimental Study forWind Turbine Blades Lightning Protection[C].再生可能ェネルギー2006國際會(huì)議,October2006.

[24]“LM Wind Power”,Available:www.lmwindpower.com/Blades/ Products/Lightning.aspx,Retrieved on 26thMay2011.

[25]Atsutoshi M,Jun S,et al.Protection Comparison of Wind Turbine Blade Receptor for Lightning Protection [C].2010International Conference on Lightning Protection. 2010:1263-1-1263-6.

[26]Minowa M,MinamiM,etal.Research into Lightning Damages and Protection Systems for Wind Power Plants in Japan [C].2006International Conference on Lightning Protection. 2006:1539-1544.

[27]Minowa M,Sumi SI,et al.A Study about Effect of Using the Backside Electrode for Lightning Protection of Wind Turbine Blade[C].2010International Conference on Lightning Protection.2010:1230-1-1230-6.

Research on Lightning Protection Technology forW ind Turbines

Guo Ning,Li Chunxi,Ye Xuemin/Energy Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University

Wind power is the clean and renewable energy and has rapidly developed in recent years.With the increasingly demands for wind turbine output,the height of tower and diameter of blade is increasing aswell.However,italso increases the risk of struck by lightning on wind turbine.Therefore,the research on lighting protection technology for wind turbines cannot be ignored.The blades are most vulnerable to being struck by lightning.Aiming at the foreign and domestic research achievements,this paper made comprehensive exposition for the damagemechanism of blades being struck by lightning and its protections.Finally, two kind of lightning protection systems or wind turbines are analyzed and contrasted, which minimized the damage caused by lightning in wind turbines and provided foundation for lightning protection design ofwind turbine.

wind turbine;blade;lightning protection;lightning receptor;down conductor

TK83；TK05

A

1006-8155（2015）04-0076-08

10.16492/j.fjjs.2015.04.076

2014-08-06河北保定071003