王新亮

摘  要：本文以风力发电机接闪系统失效风险定量评估方法为研究主题，以某研究人员提出的定量评估方法为例，在经过研究后，得到相应的结论。研究人员首先将先导发展物理模型作为依据，提出了定量评估风力发电机接闪系统失效风险的方法，经叶片雷击模拟实验验证后得知，这种评估方法具有非常高的可行性。建议风力发电机将叶尖包覆铜网的接闪系统型式作为主要选择。

关键词：风力发电机  接闪系统失效  风险定量评估方法  研究

中图分类号：TM614                           文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）10（c）-0010-03

Abstract： In this paper， the quantitative assessment method of failure risk of wind turbine lightning protection system is taken as the research subject， and the quantitative assessment method proposed by a researcher is taken as an example. After the research， the corresponding conclusions are obtained. Firstly， based on the physical model of pilot development， the researchers put forward a quantitative assessment method for the failure risk of wind turbine lightning protection system. Through the verification of blade lightning simulation experiment， it is known that this assessment method is highly feasible. It is suggested that the wind turbine blade tip covered with copper mesh lightning protection system is the main choice.

Key Words： Wind turbines; Air-termination system failure; Risk quantitative assessment method; Research

風力发电机在运行过程中，容易受到诸多因素的影响，其中雷击是导致风力发电机出现故障的重要原因，在受到雷击之后，风力发电机的接闪系统会面临着失效风险，针对这一风险，研究领域尚未提出有效的定量评估方法。因此，本文以某研究者提出的定量评估方法为例，对此项课题展开研究，具有十分重要的意义。

1  风力发电机接闪系统雷击屏蔽失效的含义和计算方法

1.1 风力发电机接闪系统雷击屏蔽失效的含义

研究者提出了一种评估风力发电机接闪系统雷击屏蔽失效的方法，从结构上看，风机叶片的材质为绝缘材料，而接闪系统则与之相反，其材质主要以金属材料为主，其布置形式为多个金属叶尖，与多个叶深接闪器的结合，其中叶片内部腹板敷设的引下线，是金属叶尖和叶尖接闪器的连接纽带。在雷雨天气下，由于叶尖和接闪器的材质为金属材料，容易在雷电的影响下起始于上行先导，然后与雷电下行先导连接，如果出现这种现象，则表明叶片接闪系统具有屏蔽雷电的效果，如果雷电先导与叶身绝缘部分先行接触，则表明接闪系统无法屏蔽叶片。

叶片表面任意一点的上行先导的实现，都会被平均电场强度所反映，二者之间具有正向关联。我们在计算平均电场强度时，可以应用公式（1）：

在上述公式中，下行先导头部的电势由Udown表示;叶片表面各潜在接闪点的电势由Ui表示;下行先导头部由d表示。

如果叶片表面某点起始稳定上行先导，我们在表征风机叶片表面各绝缘垫遭受雷击概率时，可以对公式（2）进行应用。

在上述公式中，叶片各点受到雷击的概率由P表示，可以用于对叶片区域整体雷击风险概率的表征[1]。

1.2 风力发电机接闪系统雷击屏蔽失效的计算方法

在查阅相关资料后得知，雷云与地面之间的最小距离为2000m，而最大距离则超过了10000m，如果雷云与地面之间的距离较小，就会导致地面电场强度的产生。研究人员所设定的雷云与地面之间的距离为4000m，近地面在雷云的影响下，产生的电场强度为-15kV/km。雷云是雷电下行先导的起始点，并逐渐向地面扩散，由于雷电下行先导分支，不会对近地面造成过大的影响，研究人员得出了如下结论：雷电下行先导会逐渐向近地面发展，并且只有一条主线。

目前，海上风力发电发展十分迅速，究其原因，主要是海上风力发电效率较高，但值得注意的是，海上风力机在环境的影响下，盐雾会在其叶片表面大量附着，这些盐雾的附着，会导致叶片附近的电场强度和电导率增加，这种现象被称为电荷积聚，对叶片附近空间造成的影响不容忽视，雷击屏蔽失效率也会逐渐上升[2]。

考虑到上述影响因素，本文在建立数值计算模型时，对Comsol和Matlab进行了应用，基于雷电产生的流程，综合考虑雷云电场和雷电下行先导通道电荷作用的影响，在此基础上对叶片空间的电位分布进行计算。在下行先导不断发展的情况下，被盐雾附着的叶片表面，其电荷密度会受到空间电场的影响，继而呈现出增加的趋势，这对于接下来的计算，会造成极为不利的影响。在计算阶段，针对上述问题，研究人员所采取的方法为Dirichlet边界条件，计算过程如下所述：

（1）在完成风机模型的设置后，将叶片旋转角度、雷云和雷电流初始参数输入其中;

（2）在雷电下行先导向下发展的条件下，对空间各点的电势和盐雾附着层的表面电荷密度进行准确计算;

（3）对叶片表面的上行先导起始是否存在进行判断，如果存在上行先导，则应用上述公式，对叶片表面雷击概率分布情况进行计算;

（4）对叶片各角度的雷击屏蔽失效率计算情况进行准确判断，如果计算处于完成状态，再进行风力发电机雷击屏蔽失效率的计算[3]。

2  计算方法的实验验证

2.1 设置实验平台

研究人员所设置的实验平台如图1所示，基于这一实验平台，开展长间隙放电实验。风力发电机的叶片，在工作状态下会不断旋转，且旋转范围可达0～360°，可以从中选择典型角度。研究人员首先在绝缘台上放置模型，放置的方式为水平放置，通过对引下线的使用，将其与地端子相连接。与此同时，还要将电极设置到样件中心的正上方处。电极长度=20cm。在电极设置完成后，将标准雷电波形施加到电极之中，电压幅值+500kV，放电击穿率为100%。此外，本次实验还设置了3组不同的实验，模拟不同盐雾附着程度的叶片，每组的实验次数为15次。为实现对海上盐雾情况的真实模拟，对去离子水进行了使用，通过配置人工海水的方式，模拟海上风力发电机的运行环境，在测量后得知水的盐度为每升35g，最后应用固体层法，使盐水附着于叶片表面。

2.2 实验结果

研究人员使用数码相机拍摄了各组实验的放电路径，并将其集成于一张图片之中，在此基础上统计分析叶片表面接闪点的位置，为了对接闪点在叶片表面分布进行准确评价，集成图片中的叶片表面的滑闪被完全去除。实验结果表明，无盐水的接闪失败次数为5次，在计算后得知，风力发电机接闪系统雷击屏蔽失效率为33%;近叶尖1/2附着盐水的叶片，其接闪失败次数为8次，计算后得知，风力发电机接闪系统雷击屏蔽失效率为53%;表面全附盐水的叶片，其接闪失败次数为13次，故风力发电机接闪系统雷击屏蔽失效率为87%。由此得出如下结论：研究人员应用上述计算方法得到的结果，与实验结果相符，证明研究人员所提出的计算方法，具有良好的应用价值[4]。

3  风力发电机雷击屏蔽失效率的应用研究

3.1 风机旋转角度对雷击屏蔽失效率的影响

将上述公式（1）和（2）作为依据，在计算后可以获得风力发电机叶片表面受到雷击的概率，计算结果表明，遭受雷击概率最大的区域为叶片前的5m范围内，这个结果与其他文献给出的统计结果相等。除此之外，叶身接闪器遭受雷击的概率也非常高，故可以起到保护叶身的作用。此外，引下线会导致电场畸变，在观察概率图后得知，与引下线相对应的叶身区域，呈现出山脊的形状，这表明沿着引下线的叶身表面，相较于其他区域更容易遭受雷击。

假定叶片的旋转速度不变，同时使叶片的旋转过程保持恒定，在计算后可以获得叶片不同位置的雷击屏蔽失效率，应用研究人员所提出的计算方法，所得到的计算结果为0.247，与动态击距法之间的差距为0.039。考虑到平均强度比值是本文提出方法的基础，因此与实际物理机制更加契合。

3.2 盐雾附着对雷击屏蔽失效率的影响

考虑到盐雾在叶片上附着，会导致其雷击屏蔽失效率受到不良影响，而海上所运行的风力发电机，其叶片在环境的影响下，必然会附着盐雾，如果长期得不到处理，随着盐雾浓度的增加，其表面会形成一层盐水膜。在叶片的旋转作用下，叶片与叶尖距离较近的位置，其浓度会超出其他区域。因此，研究人员在分析过程中，对接闪器-引下线型式接闪系统叶片进行了应用，研究其在盐雾附着状态下的遭受雷击的概率。结果如下所述：（1）如果叶片被盐雾附着，其遭受雷击的概率和区域会呈现出不断增加的趋势，具体范围是叶片前的15m;（2）由于附着盐雾的叶片容易遭受雷击，故这一区域的叶身，其接闪器效率会显著下降，无法达成预期的保护效果。计算结果表明，与无盐雾附着的叶片相比，存在盐雾附着的叶片，其雷击屏蔽失效率会不断上升。

3.3 接闪系统结构型式对雷击屏蔽失效率的影响

实验结果表明，应用传统接闪器-引下线型式的叶片接闪系统，由于制造成本低廉，故具备加强雷击防护能力的条件，但在加强雷击防护能力之后，其雷击屏蔽失效率依然高达1/4。此外，引下线的敷设方式，所依靠的对象为叶片内部主梁，但是在受到雷云和雷电下行引导的影响后，周边电场强度会发生改变，这种改变被称为畸变，与引下线存在密切關联的叶片表面区域，其电场强度会逐渐改变，使叶片遭受雷击风险的概率大幅度上升。并且在受到雷击后，雷电弧进入叶片的概率会持续增加，在超过临界值后，叶片会因此而破裂。

4  结语

综上所述，风力发电在近些年受到了我国的高度重视，故呈现出良好的发展态势，但就实际情况来看，风力发电机在运行过程中，容易在雷击的影响下，出现各种故障，故风力发电机均设置了接闪系统。但这些接闪系统却存在失效的风险，尤其是位于海边的风力发电机，叶片会附着盐雾，导致接闪系统的失效概率增加，无法保证风力发电机的安全。在计算和实验后得知，叶尖包覆铜网的接闪系统结构具有良好的应用效果，建议电力企业采用。

参考文献

[1] 黄有慧，易华，杨瑞志.雷电导流条在风力发电叶片防雷改造中的应用[J].天津科技，2019，46（8）：57-58.

[2] 于万水，李庆民，张敏昊，等.风力发电机接闪系统失效风险定量评估方法研究[J].中国电机工程学报，2019，39（12）：3551-3561.

[3] 黄胜鑫，陈维江，贺恒鑫，等.风力发电机组下行雷击风险计算方法[J].中国电机工程学报，2019，39（12）：3541-3551.

[4] 姚丙义.永磁直驱风力发电机组的防雷接地保护探讨[J].现代商贸工业，2019，40（13）：180-181.

[5] 方占萍.双馈异步风力发电机系统无速度传感器控制策略的研究[D].兰州：兰州理工大学，2019.

[6] 张华明.风力发电机组回转支承声发射特性研究与在线监测应用[D].北京：北京工业大学，2019.