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: ?基于雷電預(yù)警技術(shù)的風(fēng)電設(shè)施防雷技術(shù)李強 王婷婷 李楠。摘要引言風(fēng)力發(fā)電技術(shù)迅猛開展,單機發(fā)電量不斷增加,風(fēng)電機組高度已增加到上從 世紀(jì) 年代開始,風(fēng)力發(fā)電首先在美國、西歐等興旺國家百米,風(fēng)電機組葉片遭受雷擊風(fēng)險也隨開展起來,風(fēng)力發(fā)電從低功率小型發(fā)電機開展到現(xiàn)在的兆瓦級風(fēng)電機,不斷地朝大型化方向開展,風(fēng)電機組的高度也由過去的幾十米增片雷擊災(zāi)害機理,分析雷電擊中風(fēng)機葉片的形成和開展過程,總結(jié)大型風(fēng)機葉片的特點和風(fēng)電場的環(huán)境因素,以大氣電機組單機發(fā)電量增加要求輪轂高度和葉輪直徑隨之增加,風(fēng)電機電場儀的預(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)電機組在雷雨天氣時能否正常工作,等離子體防雷新技術(shù),針對風(fēng)力發(fā)電機的具體情況進(jìn)行改良,提出實現(xiàn)風(fēng)電葉風(fēng)電機組本體及機內(nèi)的各種設(shè)備是否易受雷電損害顯得尤為重要.片主動避雷的防雷技術(shù)設(shè)想,探索一種風(fēng)電機組發(fā)電量的增加同時會導(dǎo)致整個風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的零部件研發(fā)制實現(xiàn)風(fēng)電機組設(shè)備避雷的新思路.造、運輸組裝費用增加,直接導(dǎo)致雷擊破壞程度和維修本錢直線上關(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)電場分布在山口、高原地區(qū)、沿防雷計大都是參照國際電工委員會推出的?風(fēng)力發(fā)電機組的防雷保中圖分類號 ;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傳導(dǎo)到接地輪轂 ,利用風(fēng)電機

3、組的葉片作為接閃器,將雷電流泄放.這種設(shè)計思路可以有效地降低雷擊造成的損失,但是由于風(fēng)電機組本身條件的限制,在接閃泄放的同時也會增加雷電擊中風(fēng)機葉片的概率,對風(fēng)機葉片本身和風(fēng)電機組內(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)計事故進(jìn)行分析的根底上,根據(jù)雷電流特征和風(fēng)電機葉片的特點,借鑒絕緣避雷的理念,結(jié)合等離子體避雷技術(shù),提出基于大氣電場儀預(yù)警技術(shù)的風(fēng)機葉片防雷設(shè)計新設(shè)想.收稿日期.資助工程 公益性行業(yè)科研專項 ?雷擊事故分析作者簡介李強,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)在我國飛速開展,由于我國

4、的特殊氣候條件,究. .很多風(fēng)電場選址建設(shè)的過程中沒有考慮到雷電對于風(fēng)電機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)電場遭受災(zāi) 害較為頻繁,最嚴(yán)重的一次是在 年的雷擊過程中,一臺風(fēng)電機組三明市氣象局,三明,聊城市氣象局,聊城,遭受雷擊,從葉尖到葉根開裂損壞報廢.沈陽康平富饒山風(fēng)電場遭受曲 信鏖 乎學(xué)報:自然科學(xué)版, ,:?:, ,:裂.海南東方風(fēng)電場遭受的雷擊災(zāi)害更為頻繁,近年雷擊,但是雷電對風(fēng)電破壞作用仍大量發(fā)生,其原因來僅僅風(fēng)機葉片的雷擊損壞率就達(dá) . 片/ 主要有兩個方面:首先是接閃不充分,槳葉的接閃面積和位置缺乏以實現(xiàn)對葉片的全方位保

5、護(hù),接閃器片?年 .風(fēng)機葉片的更換本錢相當(dāng)大,雷電對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 % %,更換個的風(fēng)機葉片需要 萬元. 其次是由于風(fēng)機槳葉和機艙都是旋轉(zhuǎn)的,雷電流沿引下線泄放通道的電氣連接是通過各種導(dǎo)流線、連雷電擊中并流過被擊物時會導(dǎo)致該物體在瞬間接器和防雷刷實現(xiàn)的,這種情況下導(dǎo)流不暢,不僅無產(chǎn)生極大的熱量.雷擊風(fēng)機葉片尖部時,由于雷電流法將雷電流順利泄放到大地,反而會增加通路阻抗,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).金屬引線與葉片之間產(chǎn)生強電位差,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)生時產(chǎn)生的巨大聲波會對葉地電阻到達(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法實現(xiàn)良好的接地效外,雷電流包含很多高頻成分,具有很強的沖擊特果.尤其是在高原氣候寒冷地區(qū),凍土層比擬厚,土性 ,在泄放過程中會產(chǎn)生雷電感應(yīng)過電壓,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)電機葉片的防雷陷入了一個極為為難的局面,一方面通過電氣連接使得葉片更容易吸引雷擊,另入風(fēng)電機組內(nèi)部設(shè)備,損壞機組的控制系統(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,將大大減輕雷電對風(fēng)電系統(tǒng)的損害.基于大氣電場預(yù)警技術(shù)的葉片主動防雷系統(tǒng)風(fēng)機葉片防雷設(shè)計現(xiàn)狀及存在問題. 風(fēng)電葉片接閃的過程分析傳統(tǒng)的風(fēng)電機組葉片防雷設(shè)計是在風(fēng)機葉片上雷云在風(fēng)電場上方形成后,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)電機葉片相對于雷暴云形成一個極不器的盤面與葉面齊平,在槳葉內(nèi)部跨接到引下導(dǎo)體.均勻電場極,同時由于風(fēng)電機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度加大,使之等同于一個大曲率電極,造成附近葉上的唯一雷擊點,現(xiàn)場

8、運行經(jīng)驗說明,對于長度超空氣發(fā)生游離,而具備自持放電條件形成流注,流注過的槳葉無法做到有效保護(hù) .將接閃圓盤用開展到足夠長度后,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極,所有電子都將通過通道的根部進(jìn)入電極,由于劇接閃面積過小的缺點,但是在槳葉外表嵌裝的金屬烈的摩擦產(chǎn)生高溫,出現(xiàn)熱游離過程,這個通道逐漸網(wǎng)帶很難保證在整個槳葉長度范圍內(nèi)與其外表的完形成一個不斷伸長的先導(dǎo),先導(dǎo)持續(xù)加強前方電場,全緊密電氣接觸和牢固黏合,在長期惡劣天氣的影最終場強足夠高時產(chǎn)生主放電,這就是雷電擊中風(fēng)響下這一問題會進(jìn)一步加劇,金屬網(wǎng)帶上傳導(dǎo)的雷電機葉片的擊穿過程.電流將會在接觸不緊密的脫

9、離局部產(chǎn)生熱效應(yīng),對槳葉材料造成損傷. 大氣電場儀的預(yù)警原理目前大型風(fēng)電機的葉片普遍較大,單機功率為 大氣電場儀根據(jù)探頭上的電場感應(yīng)信號測量大. ? .的風(fēng)電機,葉片長度已達(dá) ,單機氣電場及其變化,當(dāng)云中發(fā)生電荷別離時,在近地面功率的風(fēng)電機葉片長度更是到達(dá) 以上, 的電場隨之發(fā)生相應(yīng)的變化,通過大氣靜電場儀探葉片質(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)換為與大氣電場成正比的電壓量,通過處理轉(zhuǎn)換計算閃器,對于各個接閃器之間做電氣連接,并與內(nèi)置引出電場值.大氣電場強度是大氣電學(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于雷電下行 雷暴和閃電監(jiān)測中具有重

10、要作用 .在大氣中雷雨李強,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程中,近地面的大氣電場強度 以達(dá)成,沒有了電極的差異就不會形成流注、先導(dǎo),開始發(fā)生變化,大氣電場儀能夠在雷電發(fā)生前監(jiān)測 不會有雷電擊穿的過程,更不會發(fā)生因為雷電流的到云內(nèi)帶電物質(zhì)的變化,地面大氣電場曲線在雷電引入導(dǎo)致的過電壓損失.雷電災(zāi)害的損失中, %以發(fā)生前 會發(fā)生抖動,到達(dá)閥值時觸發(fā)上是在雷電流泄放到大地的過程中產(chǎn)生的過電壓造報警 . 成與引下線相連的其他設(shè)備損壞¨ .但是由于葉片本身就處于一個復(fù)雜的環(huán)境中,加之葉片本身的加. 風(fēng)電機組雷擊報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)過上方時,大氣電場儀的感應(yīng)達(dá)成.首先在實際運行中,機組葉片外表無法保證做變化很明顯,可以根據(jù)雷爆發(fā)生時近地面電場曲線到光滑、均勻,例如在葉片制造時會有纖維絲突出表面,在外表上出現(xiàn)某些粗糙之處,受風(fēng)化侵蝕出現(xiàn)傷場儀監(jiān)測到的電場強度值是其附近一定范圍內(nèi)大氣痕,這些缺陷一方面會直接引起雷擊時電場沿槳葉的電場強度.晴天的電場儀示值幾乎不超過 / ,外表的分布畸變,另一方面也容易將大氣環(huán)境中的曲線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的情況下,電場值 絕對值 持續(xù)在 . 內(nèi)超子受強大電場的影響沿葉片外表移動聚集,造成沿過. 時,約 . 以后在

12、大氣電場儀防護(hù)區(qū)葉片外表分布的電場更加不均勻,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 級閾值,當(dāng)大氣電場強度絕對值超過此閾值時,片長期暴露在大氣環(huán)境中,其外表會受到大氣中工可以判斷為雷雨正在現(xiàn)場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)電場地處環(huán)境都是風(fēng)力資源比擬豐富,容易形成強烈大氣對流的地方更容易形成雷暴,在大氣 面形成污層,這個外表污層在周圍環(huán)境濕度很高時電場儀探測強度到達(dá) . / 時,就可以判斷為有 就會被濕潤,電阻率大幅度下降,導(dǎo)致沿面閃絡(luò)電壓現(xiàn)場觀測記錄進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整. 防

13、雷在理論上很有優(yōu)勢,但是對于材料和環(huán)境的要求過于苛刻,無法運用到實際工作中. 基于雷電預(yù)警的主動避雷系統(tǒng)設(shè)想. . 等離子避雷系統(tǒng)針對風(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,形成一擊到來前,根據(jù)大氣電場測試儀的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)顯個以集中區(qū)為中心的輻射狀的電場結(jié)構(gòu),在這種結(jié)示,判斷雷暴云所形成的電場強度及極性,提前預(yù)警構(gòu)的電場作用下,同極性電荷遠(yuǎn)離集中區(qū)向外輻射并通過向風(fēng)葉及其外表接閃器上輸送與雷暴云相同極性的電荷,對消那里的感應(yīng)電荷所產(chǎn)生的雷擊危荷,將會聚到集中區(qū)中和掉空間電荷,以到達(dá)降低電險性,并且通過不斷轉(zhuǎn)動的風(fēng)葉改變風(fēng)電機組附近場強度的目的,防

14、止導(dǎo)體尖端效應(yīng)的產(chǎn)生 .等離子電場強度分布,實現(xiàn)主動避雷.避雷的作用原理是基于等離子體中,正負(fù)帶電粒子. . 主動避雷系統(tǒng)設(shè)計理念會在雷暴云電荷或先導(dǎo)電荷產(chǎn)生的脈沖電場作用下首先要求風(fēng)電葉片與風(fēng)電機本身連接處絕緣,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)機防雷的一個整體,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)物面大氣電場儀預(yù)警數(shù)據(jù),通過等離子發(fā)生器對風(fēng)葉處于在等離子體覆蓋下,其附近電場強度和電流密進(jìn)行保護(hù),使風(fēng)機葉片不產(chǎn)生上行先導(dǎo),并且通過風(fēng)度無法到達(dá)擊穿空氣的強度,以到達(dá)減少雷擊的目葉的轉(zhuǎn)動改變風(fēng)機附近電場分布,減少雷電對風(fēng)葉的.另外,對于被保護(hù)物外表未被

15、等離子體覆蓋的部的擊中概率,同時在風(fēng)電機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)生相對較高的避雷針,通過電刷直接與塔體進(jìn)行接地,的同號電荷也能將其中和,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),使的電場強度消失或減弱,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.目前國內(nèi)外所研制的等離子避雷系統(tǒng)適用于建針對雷電擊中風(fēng)葉的過程提出一個假設(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: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首先在風(fēng)葉是不斷轉(zhuǎn)動的,在轉(zhuǎn)動的過程中對于附近電場 鐵塔處聚集大量與電場相反電荷,形成先導(dǎo)使雷電變化的影響很大,它需要一個立體的綜合防護(hù),其次 選擇性落于鐵塔上.如果在風(fēng)機頂部裝載大氣電場儀,容易受到風(fēng)機葉結(jié)論與討論片轉(zhuǎn)動的影響,需要在距離風(fēng)機具有一定距離的條件下對大氣電場進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警.美國卡納維拉爾角 長期以來,雷擊是自然界中對風(fēng)力發(fā)電機組安空軍基地的雷電預(yù)警系統(tǒng)工作臺的說明手冊中規(guī) 全運行危害最大的一種災(zāi)難,一旦發(fā)生雷電,雷電釋定:電場儀放在一塊混凝土板上,在混凝土板下面半 放的能量會造成風(fēng)力發(fā)電機組葉片損壞、發(fā)電機絕徑為 .的圓形

17、區(qū)域內(nèi)鋪滿砂礫,同時砂礫覆蓋 緣擊穿、控制元器件燒毀等后果,風(fēng)機葉片是首先遭該區(qū)域內(nèi)沒有任何樹木、灌木叢和人造物體.因此大 防雷相結(jié)合的設(shè)計方案可以有效防止直擊雷的破氣電場儀距離周圍風(fēng)機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)葉的實際結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良,而且將大氣電氣電場由正常的晴天電場變化到達(dá)閥值時,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 場儀用于風(fēng)電場雷電預(yù)警,仍需要綜合長期的多種米級 . ,高濃度等離子體具有很大的外表 氣象觀測才能確定適宜的閾值,等離子避雷系統(tǒng)的積和外表張力,通過風(fēng)葉的不斷轉(zhuǎn)動,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)作用下相對較穩(wěn)定地發(fā)散