基于雷電預(yù)警技術(shù)的風(fēng)電設(shè)施防雷技術(shù)

1、基于雷電預(yù)警技術(shù)的風(fēng)電設(shè)施防雷技術(shù) 文章編號(hào): ?基于雷電預(yù)警技術(shù)的風(fēng)電設(shè)施防雷技術(shù)李強(qiáng) 王婷婷 李楠。摘要引言風(fēng)力發(fā)電技術(shù)迅猛開(kāi)展,單機(jī)發(fā)電量不斷增加,風(fēng)電機(jī)組高度已增加到上從 世紀(jì) 年代開(kāi)始,風(fēng)力發(fā)電首先在美國(guó)、西歐等興旺國(guó)家百米,風(fēng)電機(jī)組葉片遭受雷擊風(fēng)險(xiǎn)也隨開(kāi)展起來(lái),風(fēng)力發(fā)電從低功率小型發(fā)電機(jī)開(kāi)展到現(xiàn)在的兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī),不斷地朝大型化方向開(kāi)展,風(fēng)電機(jī)組的高度也由過(guò)去的幾十米增片雷擊災(zāi)害機(jī)理,分析雷電擊中風(fēng)機(jī)葉片的形成和開(kāi)展過(guò)程,總結(jié)大型風(fēng)機(jī)葉片的特點(diǎn)和風(fēng)電場(chǎng)的環(huán)境因素,以大氣電機(jī)組單機(jī)發(fā)電量增加要求輪轂高度和葉輪直徑隨之增加,風(fēng)電機(jī)電場(chǎng)儀的預(yù)警數(shù)據(jù)為根底,結(jié)合前沿的組遭受的雷擊率也不斷增加

2、.風(fēng)電機(jī)組在雷雨天氣時(shí)能否正常工作,等離子體防雷新技術(shù),針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的具體情況進(jìn)行改良,提出實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉風(fēng)電機(jī)組本體及機(jī)內(nèi)的各種設(shè)備是否易受雷電損害顯得尤為重要.片主動(dòng)避雷的防雷技術(shù)設(shè)想,探索一種風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的增加同時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的零部件研發(fā)制實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備避雷的新思路.造、運(yùn)輸組裝費(fèi)用增加,直接導(dǎo)致雷擊破壞程度和維修本錢(qián)直線(xiàn)上關(guān)鍵詞風(fēng)電葉片;雷電預(yù)警;等離子體;升.由于風(fēng)能因素的地域限制,很多風(fēng)電場(chǎng)分布在山口、高原地區(qū)、沿防雷計(jì)大都是參照國(guó)際電工委員會(huì)推出的?風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷保中圖分類(lèi)號(hào) ;文獻(xiàn)標(biāo)志碼護(hù)試行本?,主要防雷保護(hù)思路是將雷電流平安地從雷擊點(diǎn)傳導(dǎo)到接地輪轂 ,利用風(fēng)電機(jī)

3、組的葉片作為接閃器,將雷電流泄放.這種設(shè)計(jì)思路可以有效地降低雷擊造成的損失,但是由于風(fēng)電機(jī)組本身?xiàng)l件的限制,在接閃泄放的同時(shí)也會(huì)增加雷電擊中風(fēng)機(jī)葉片的概率,對(duì)風(fēng)機(jī)葉片本身和風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部的精密設(shè)備造的防雷措施,而等離子避雷系統(tǒng)是通過(guò)減小雷電擊中被保護(hù)物的幾器的研究已經(jīng)很有成效,在莊洪春等 的多年努力下已經(jīng)成功設(shè)計(jì)事故進(jìn)行分析的根底上,根據(jù)雷電流特征和風(fēng)電機(jī)葉片的特點(diǎn),借鑒絕緣避雷的理念,結(jié)合等離子體避雷技術(shù),提出基于大氣電場(chǎng)儀預(yù)警技術(shù)的風(fēng)機(jī)葉片防雷設(shè)計(jì)新設(shè)想.收稿日期.資助工程 公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng) ?雷擊事故分析作者簡(jiǎn)介李強(qiáng),男,碩士生,主要從事雷電防護(hù)研近十幾年風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在我國(guó)飛速開(kāi)展,由于我國(guó)

4、的特殊氣候條件,究. .很多風(fēng)電場(chǎng)選址建設(shè)的過(guò)程中沒(méi)有考慮到雷電對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的破壞南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院,南京作用,導(dǎo)致建成后發(fā)生很多嚴(yán)重的雷擊事故.浙江蒼南風(fēng)電場(chǎng)遭受災(zāi) 害較為頻繁,最嚴(yán)重的一次是在 年的雷擊過(guò)程中,一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組三明市氣象局,三明,聊城市氣象局,聊城,遭受雷擊,從葉尖到葉根開(kāi)裂損壞報(bào)廢.沈陽(yáng)康平富饒山風(fēng)電場(chǎng)遭受曲 信鏖 乎學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, ,:?:, ,:裂.海南東方風(fēng)電場(chǎng)遭受的雷擊災(zāi)害更為頻繁,近年雷擊,但是雷電對(duì)風(fēng)電破壞作用仍大量發(fā)生,其原因來(lái)僅僅風(fēng)機(jī)葉片的雷擊損壞率就達(dá) . 片/ 主要有兩個(gè)方面:首先是接閃不充分,槳葉的接閃面積和位置缺乏以實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片的全方位保

5、護(hù),接閃器片?年 .風(fēng)機(jī)葉片的更換本錢(qián)相當(dāng)大,雷電對(duì)葉片與葉片的接合處存在間隙為雷擊提供了泄放通道;造成的損失占雷電災(zāi)害損失的 % %,更換個(gè)的風(fēng)機(jī)葉片需要 萬(wàn)元. 其次是由于風(fēng)機(jī)槳葉和機(jī)艙都是旋轉(zhuǎn)的,雷電流沿引下線(xiàn)泄放通道的電氣連接是通過(guò)各種導(dǎo)流線(xiàn)、連雷電擊中并流過(guò)被擊物時(shí)會(huì)導(dǎo)致該物體在瞬間接器和防雷刷實(shí)現(xiàn)的,這種情況下導(dǎo)流不暢,不僅無(wú)產(chǎn)生極大的熱量.雷擊風(fēng)機(jī)葉片尖部時(shí),由于雷電流法將雷電流順利泄放到大地,反而會(huì)增加通路阻抗,在泄放路徑中形成高電位和高能量,致使接閃器和增大雷電流的熱效應(yīng).金屬引線(xiàn)與葉片之間產(chǎn)生強(qiáng)電位差,極易形成電弧,此外,由于風(fēng)能資源的分布限制,大多風(fēng)電場(chǎng)分致使葉片的泄放通

6、路熔斷,葉片材料內(nèi)部氣體高溫布在地質(zhì)條件復(fù)雜、土壤電阻率很高的地區(qū),要使接膨脹爆裂.另外,雷擊發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的巨大聲波會(huì)對(duì)葉地電阻到達(dá)要求往往很困難,投人大量人工接地體、片造成沖擊波破壞.雷電擊中風(fēng)葉后,除了熱效應(yīng)之聯(lián)合接地甚至使用降阻劑都無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的接地效外,雷電流包含很多高頻成分,具有很強(qiáng)的沖擊特果.尤其是在高原氣候寒冷地區(qū),凍土層比擬厚,土性 ,在泄放過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生雷電感應(yīng)過(guò)電壓,其破壞作用與雷電流波形的陡度密切相關(guān),陡度越大感應(yīng)得風(fēng)電機(jī)葉片的防雷陷入了一個(gè)極為為難的局面,一方面通過(guò)電氣連接使得葉片更容易吸引雷擊,另入風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部設(shè)備,損壞機(jī)組的控制系統(tǒng)和敏感一方面泄放通道、接地電阻很難到達(dá)

7、要求,這反而可的電子原器件 .因此,假設(shè)能從源頭上消除或減少雷能增加雷電造成的損失.電擊中風(fēng)葉的風(fēng)險(xiǎn),將大大減輕雷電對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的損害.基于大氣電場(chǎng)預(yù)警技術(shù)的葉片主動(dòng)防雷系統(tǒng)風(fēng)機(jī)葉片防雷設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題. 風(fēng)電葉片接閃的過(guò)程分析傳統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組葉片防雷設(shè)計(jì)是在風(fēng)機(jī)葉片上雷云在風(fēng)電場(chǎng)上方形成后,由地面產(chǎn)生的感應(yīng)加裝接閃器,嵌裝在槳葉的葉尖、中間等部位,接閃電荷,使得風(fēng)電機(jī)葉片相對(duì)于雷暴云形成一個(gè)極不器的盤(pán)面與葉面齊平,在槳葉內(nèi)部跨接到引下導(dǎo)體.均勻電場(chǎng)極,同時(shí)由于風(fēng)電機(jī)組的高度較高以及葉這種接閃方式接閃面積較小,很難保證接閃器是槳片長(zhǎng)度加大,使之等同于一個(gè)大曲率電極,造成附近葉上的唯一雷擊點(diǎn),現(xiàn)場(chǎng)

8、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明,對(duì)于長(zhǎng)度超空氣發(fā)生游離,而具備自持放電條件形成流注,流注過(guò)的槳葉無(wú)法做到有效保護(hù) .將接閃圓盤(pán)用開(kāi)展到足夠長(zhǎng)度后,有較多電子沿流注通道流向電金屬帶代替鑲嵌在槳葉外表,這種方法克服了圓盤(pán)極,所有電子都將通過(guò)通道的根部進(jìn)入電極,由于劇接閃面積過(guò)小的缺點(diǎn),但是在槳葉外表嵌裝的金屬烈的摩擦產(chǎn)生高溫,出現(xiàn)熱游離過(guò)程,這個(gè)通道逐漸網(wǎng)帶很難保證在整個(gè)槳葉長(zhǎng)度范圍內(nèi)與其外表的完形成一個(gè)不斷伸長(zhǎng)的先導(dǎo),先導(dǎo)持續(xù)加強(qiáng)前方電場(chǎng),全緊密電氣接觸和牢固黏合,在長(zhǎng)期惡劣天氣的影最終場(chǎng)強(qiáng)足夠高時(shí)產(chǎn)生主放電,這就是雷電擊中風(fēng)響下這一問(wèn)題會(huì)進(jìn)一步加劇,金屬網(wǎng)帶上傳導(dǎo)的雷電機(jī)葉片的擊穿過(guò)程.電流將會(huì)在接觸不緊密的脫

9、離局部產(chǎn)生熱效應(yīng),對(duì)槳葉材料造成損傷. 大氣電場(chǎng)儀的預(yù)警原理目前大型風(fēng)電機(jī)的葉片普遍較大,單機(jī)功率為 大氣電場(chǎng)儀根據(jù)探頭上的電場(chǎng)感應(yīng)信號(hào)測(cè)量大. ? .的風(fēng)電機(jī),葉片長(zhǎng)度已達(dá) ,單機(jī)氣電場(chǎng)及其變化,當(dāng)云中發(fā)生電荷別離時(shí),在近地面功率的風(fēng)電機(jī)葉片長(zhǎng)度更是到達(dá) 以上, 的電場(chǎng)隨之發(fā)生相應(yīng)的變化,通過(guò)大氣靜電場(chǎng)儀探葉片質(zhì)量將到達(dá),之前的一些防雷接閃方法已頭的動(dòng)片旋轉(zhuǎn),使得定片產(chǎn)生感應(yīng)電荷,并將其轉(zhuǎn)換為與大氣電場(chǎng)成正比的電壓量,通過(guò)處理轉(zhuǎn)換計(jì)算閃器,對(duì)于各個(gè)接閃器之間做電氣連接,并與內(nèi)置引出電場(chǎng)值.大氣電場(chǎng)強(qiáng)度是大氣電學(xué)的根本參數(shù),在下導(dǎo)體連接,這樣做可以改善接閃器對(duì)于雷電下行 雷暴和閃電監(jiān)測(cè)中具有重

10、要作用 .在大氣中雷雨李強(qiáng),等.基于雷電預(yù)警技術(shù)的風(fēng)電設(shè)施防雷技術(shù) ,.云層形成或靠近的過(guò)程中,近地面的大氣電場(chǎng)強(qiáng)度 以達(dá)成,沒(méi)有了電極的差異就不會(huì)形成流注、先導(dǎo),開(kāi)始發(fā)生變化,大氣電場(chǎng)儀能夠在雷電發(fā)生前監(jiān)測(cè) 不會(huì)有雷電擊穿的過(guò)程,更不會(huì)發(fā)生因?yàn)槔纂娏鞯牡皆苾?nèi)帶電物質(zhì)的變化,地面大氣電場(chǎng)曲線(xiàn)在雷電引入導(dǎo)致的過(guò)電壓損失.雷電災(zāi)害的損失中, %以發(fā)生前 會(huì)發(fā)生抖動(dòng),到達(dá)閥值時(shí)觸發(fā)上是在雷電流泄放到大地的過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓造報(bào)警 . 成與引下線(xiàn)相連的其他設(shè)備損壞¨ .但是由于葉片本身就處于一個(gè)復(fù)雜的環(huán)境中,加之葉片本身的加. 風(fēng)電機(jī)組雷擊報(bào)警閾值的選擇工工藝水平的限制,單純的使葉片絕緣的條

11、件很難近距離雷暴云經(jīng)過(guò)上方時(shí),大氣電場(chǎng)儀的感應(yīng)達(dá)成.首先在實(shí)際運(yùn)行中,機(jī)組葉片外表無(wú)法保證做變化很明顯,可以根據(jù)雷爆發(fā)生時(shí)近地面電場(chǎng)曲線(xiàn)到光滑、均勻,例如在葉片制造時(shí)會(huì)有纖維絲突出表面,在外表上出現(xiàn)某些粗糙之處,受風(fēng)化侵蝕出現(xiàn)傷場(chǎng)儀監(jiān)測(cè)到的電場(chǎng)強(qiáng)度值是其附近一定范圍內(nèi)大氣痕,這些缺陷一方面會(huì)直接引起雷擊時(shí)電場(chǎng)沿槳葉的電場(chǎng)強(qiáng)度.晴天的電場(chǎng)儀示值幾乎不超過(guò) / ,外表的分布畸變,另一方面也容易將大氣環(huán)境中的曲線(xiàn)根本趨近于零值附近¨潮氣吸附和淤積,在此處形成水膜,水膜中包含的離抖動(dòng)的情況下,電場(chǎng)值 絕對(duì)值 持續(xù)在 . 內(nèi)超子受強(qiáng)大電場(chǎng)的影響沿葉片外表移動(dòng)聚集,造成沿過(guò). 時(shí),約 . 以后在

12、大氣電場(chǎng)儀防護(hù)區(qū)葉片外表分布的電場(chǎng)更加不均勻,沿面閃絡(luò)電壓的內(nèi)很有可能出現(xiàn)閃電¨ ,所以一般設(shè)置 . / 為下降使得放電擊穿變得更為容易發(fā)生;其次由于葉第 級(jí)閾值,當(dāng)大氣電場(chǎng)強(qiáng)度絕對(duì)值超過(guò)此閾值時(shí),片長(zhǎng)期暴露在大氣環(huán)境中,其外表會(huì)受到大氣中工可以判斷為雷雨正在現(xiàn)場(chǎng)或者距離幾千米外形成.業(yè)排放氣體、自然鹽堿水霧和飛塵等的污染,在其表由于風(fēng)電場(chǎng)地處環(huán)境都是風(fēng)力資源比擬豐富,容易形成強(qiáng)烈大氣對(duì)流的地方更容易形成雷暴,在大氣 面形成污層,這個(gè)外表污層在周?chē)h(huán)境濕度很高時(shí)電場(chǎng)儀探測(cè)強(qiáng)度到達(dá) . / 時(shí),就可以判斷為有 就會(huì)被濕潤(rùn),電阻率大幅度下降,導(dǎo)致沿面閃絡(luò)電壓現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)記錄進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整. 防

13、雷在理論上很有優(yōu)勢(shì),但是對(duì)于材料和環(huán)境的要求過(guò)于苛刻,無(wú)法運(yùn)用到實(shí)際工作中. 基于雷電預(yù)警的主動(dòng)避雷系統(tǒng)設(shè)想. . 等離子避雷系統(tǒng)針對(duì)風(fēng)葉防雷的改良該系統(tǒng)將雷電預(yù)警與等離子避雷相結(jié)合,在雷雷暴形成前空間電荷在雷暴云中集中,形成一擊到來(lái)前,根據(jù)大氣電場(chǎng)測(cè)試儀的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯個(gè)以集中區(qū)為中心的輻射狀的電場(chǎng)結(jié)構(gòu),在這種結(jié)示,判斷雷暴云所形成的電場(chǎng)強(qiáng)度及極性,提前預(yù)警構(gòu)的電場(chǎng)作用下,同極性電荷遠(yuǎn)離集中區(qū)向外輻射并通過(guò)向風(fēng)葉及其外表接閃器上輸送與雷暴云相同極性的電荷,對(duì)消那里的感應(yīng)電荷所產(chǎn)生的雷擊危荷,將會(huì)聚到集中區(qū)中和掉空間電荷,以到達(dá)降低電險(xiǎn)性,并且通過(guò)不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)葉改變風(fēng)電機(jī)組附近場(chǎng)強(qiáng)度的目的,防

14、止導(dǎo)體尖端效應(yīng)的產(chǎn)生 .等離子電場(chǎng)強(qiáng)度分布,實(shí)現(xiàn)主動(dòng)避雷.避雷的作用原理是基于等離子體中,正負(fù)帶電粒子. . 主動(dòng)避雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念會(huì)在雷暴云電荷或先導(dǎo)電荷產(chǎn)生的脈沖電場(chǎng)作用下首先要求風(fēng)電葉片與風(fēng)電機(jī)本身連接處絕緣,極化遷移,把被保護(hù)物外表產(chǎn)生的感應(yīng)電荷散布到將風(fēng)葉與接閃器作為風(fēng)機(jī)防雷的一個(gè)整體,根據(jù)地空氣中,使得在空氣中電荷更加均勻,使得被保護(hù)物面大氣電場(chǎng)儀預(yù)警數(shù)據(jù),通過(guò)等離子發(fā)生器對(duì)風(fēng)葉處于在等離子體覆蓋下,其附近電場(chǎng)強(qiáng)度和電流密進(jìn)行保護(hù),使風(fēng)機(jī)葉片不產(chǎn)生上行先導(dǎo),并且通過(guò)風(fēng)度無(wú)法到達(dá)擊穿空氣的強(qiáng)度,以到達(dá)減少雷擊的目葉的轉(zhuǎn)動(dòng)改變風(fēng)機(jī)附近電場(chǎng)分布,減少雷電對(duì)風(fēng)葉的.另外,對(duì)于被保護(hù)物外表未被

15、等離子體覆蓋的部的擊中概率,同時(shí)在風(fēng)電機(jī)艙與塔體的接合處設(shè)立分上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷,由于等離子體極化作用產(chǎn)生相對(duì)較高的避雷針,通過(guò)電刷直接與塔體進(jìn)行接地,的同號(hào)電荷也能將其中和,可使未被覆蓋外表附近這樣就可以使得避雷針上更容易產(chǎn)生上行先導(dǎo),使的電場(chǎng)強(qiáng)度消失或減弱,從而使未被等離子體覆蓋得雷電擊中風(fēng)葉的幾率大大降低. . 絕緣防雷的局限性 外表免遭雷擊.目前國(guó)內(nèi)外所研制的等離子避雷系統(tǒng)適用于建針對(duì)雷電擊中風(fēng)葉的過(guò)程提出一個(gè)假設(shè),假設(shè)筑物或者重要保護(hù)物的上端保護(hù),而且不具備提前葉片能夠做到完全絕緣,大曲率電極的形成條件難曲 饈垂 學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,:? :, , : ? 預(yù)警觸發(fā)功能.而風(fēng)葉防雷具有

16、一定的特殊性,首先 均勻布置較高的鐵塔,在條件相同情況下會(huì)首先在風(fēng)葉是不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的,在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中對(duì)于附近電場(chǎng) 鐵塔處聚集大量與電場(chǎng)相反電荷,形成先導(dǎo)使雷電變化的影響很大,它需要一個(gè)立體的綜合防護(hù),其次 選擇性落于鐵塔上.如果在風(fēng)機(jī)頂部裝載大氣電場(chǎng)儀,容易受到風(fēng)機(jī)葉結(jié)論與討論片轉(zhuǎn)動(dòng)的影響,需要在距離風(fēng)機(jī)具有一定距離的條件下對(duì)大氣電場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警.美國(guó)卡納維拉爾角 長(zhǎng)期以來(lái),雷擊是自然界中對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安空軍基地的雷電預(yù)警系統(tǒng)工作臺(tái)的說(shuō)明手冊(cè)中規(guī) 全運(yùn)行危害最大的一種災(zāi)難,一旦發(fā)生雷電,雷電釋定:電場(chǎng)儀放在一塊混凝土板上,在混凝土板下面半 放的能量會(huì)造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片損壞、發(fā)電機(jī)絕徑為 .的圓形

17、區(qū)域內(nèi)鋪滿(mǎn)砂礫,同時(shí)砂礫覆蓋 緣擊穿、控制元器件燒毀等后果,風(fēng)機(jī)葉片是首先遭該區(qū)域內(nèi)沒(méi)有任何樹(shù)木、灌木叢和人造物體.因此大 防雷相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案可以有效防止直擊雷的破氣電場(chǎng)儀距離周?chē)L(fēng)機(jī)至少需要半徑為的安 壞,它可盡量減少雷電直接擊中風(fēng)葉的幾率,從而降需要根據(jù)風(fēng)葉的實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良,而且將大氣電氣電場(chǎng)由正常的晴天電場(chǎng)變化到達(dá)閥值時(shí),觸發(fā)等離子避雷系統(tǒng)工作,由于等離子體的離子直徑為納 場(chǎng)儀用于風(fēng)電場(chǎng)雷電預(yù)警,仍需要綜合長(zhǎng)期的多種米級(jí) . ,高濃度等離子體具有很大的外表 氣象觀(guān)測(cè)才能確定適宜的閾值,等離子避雷系統(tǒng)的積和外表張力,通過(guò)風(fēng)葉的不斷轉(zhuǎn)動(dòng),使其在風(fēng)葉周 保護(hù)范圍和避雷效果仍需要進(jìn)一步研究和提高.圍的空間迅速發(fā)散形成較大的發(fā)散體積并能在雨和風(fēng)作用下相對(duì)較穩(wěn)定地發(fā)散