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镀铜接地棒叶片防雷设计、测试及相似性验证

发布者:admin2020年07月18日

        镀铜接地棒风电叶片检查发现

       风力发电行业近些年持续显著增长,截至2019年全球总装机容量已超过530G W。随着风机机组容量的不断加大,从1996年的600kW发展到今天10MW,风轮直径也从50m增大到180m,叶片都能做到近百米长(见图1)。风机塔筒高度也逐渐增高,加上叶片长度,风电机组叶尖最高点已超过200m,这让安装在开阔地带或山脊上的风电机组更易遭到雷击(见图2),受雷电的损害日益严重。

      对在役风机叶片的检查中,发现了不少因雷击而受损的叶片(见图3),且部分遭到损毁的叶片不易修复。离岸或在边远地区的风机,物资运输极其困难,维修成本和风电场损失都很大。因此镀铜接地棒叶片的防雷设计显得尤为重要。

二、风电叶片防雷设计

        镀铜接地棒风电叶片为大型中空结构且通常采用复合材料,例如玻璃钢(GFRP)、轻木、木皮、泡沫材料和/或碳纤维加强塑料(CFRP)等手工制成。由于接闪器系统(接收器)的类型和设计存在差别,因此通常采用金属网和下行引线及其组合形式[1] (见图4)


LPZ0A1:叶尖至下端1米左右。

LPZ0A2:自LPZ0A1区下端至5米左右。

LPZ0A3:自LPZ0A2区下端至20米左右以上区域,接闪率接近85%~90%。

LPA0B:自LPZ0A3区下端至叶根区域,雷击接闪率不足10%。

 

        三、风电叶片防雷试验

        依据IEC61400-24:2018附录D,本测试规范中给出了可作为现场试验和实验室试验的强制性试验内容,详细描述了从全尺寸实物试验到抽样试验在内的测试阶段的详细信息以及粒度等级。同时也给出了GFRP以及CFRP的传统设计。此外还包括了附件,例如叶片尖及锯齿测试。

 

        实验室中使用高压初始先导雷击测试进行评估,其中初始导线应连接(见图6)。该试验应在叶尖进行,即在叶片总长或整个叶片的15%部分处。受试装置(DUT)从地电位电压开始加压,且试验电压应施加于叶片雷电防护系统(LPS)。应使用不同的叶片桨距角以及叶片与平面间的夹角。建议高压开关脉冲波形的上升斜率为(250/2500μs),以使得叶片周围区域形成气流并能产生空气电离,从而重复现场观测情况(见图6) 

        次级高压雷击试验是高压后续雷击试验,在该试验中,接闪器附近区域的详细设计应重新评估。其目的是当传导电流沿叶片表面扫掠时,模拟雷电通道(见图7) 

高压后续雷击试验完成后,建议进行大电流(H C)验证试验,该试验用于验证与雷电流传导相关的物理损害。

 

       对于冬季雷电,最重要的验证试验是大电流拉弧试验(见图8),该试验适用于所有直接暴露于雷击LPS部件或接闪器。各种类型的接闪器,例如,雷电接收器、叶片结构部件的裸露CFRP表面,表面金属网防护均应进行试验。试验初始时应采用逐步升高的峰值电流,后跟一系列低电流脉冲。 

       对于会出现冬季雷电的地区,应再施加多个转移充放电大电流以确定部件的使用寿命。传导电流试验适用于所有暴露并承受雷电流的所有连接部件;该试验用于评估设计的准确性。对于冬季雷电,其量级和上升率通常较小,IEC测试已覆盖了热动力试验和电动力试验。

 

        如果为活动电流旁路(包括滑动接触、电刷、轴承、火花间隙或类似部件),或者其设计能将电流和放电部分转换为开弧,则传导电流试验后应施加一个长雷击部件,以复现电弧损坏。

 

         四、镀铜接地棒风电叶片防雷相似性验证

         对IEC 61400-24:2018关于叶片防雷相似性验证的理解,也可为叶片防雷认证提供参考。

 

1. 相似性评估

IEC 61400-24:2018附录N指出,证明叶片类型(设计)与已完成完整试验验证的叶片类型相似,如果不影响试验或分析确定的拦截效能、载流能力和防雷绝缘配合,则两个叶片“相似”。

 

2.分析或模拟方法

IEC 61400-24:2018附录O指出,使用之前通过与测试结果比较而验证的分析或模拟。在分析或模拟的文档中,应提供所应用的分析/方法的适用性和有效性的证据。

 

3. 相似性评估的前提

镀铜接地棒只涵盖没有额外电气装置的叶片,即使用GFRP和CFRP结构材料的叶片,以及由接闪器系统和引下线组成的LPS。包含额外电气装置(传感器、加热、主动流量控制等)的叶片不能通过声称相似性来验证。

 

为使两种不同的叶片设计在防雷配合方面具有相似之处,需对叶片相似性进行评估,评估内容主要包括设计方面和材料方面。

 

 4. 叶片相似性

叶片1:已通过高电压H V 和高电流HC的测试,叶片2:新叶片。

 

本比较只涵盖没有额外电气装置的叶片,即使用GFRP和CFRP结构材料的叶片,以及由接闪器系统和引下线组成的雷电防护系统。

 

(1)叶片叶尖的一致性

① 叶 片 厚 度(层压板):与叶片1相比,叶片2最外层(叶尖起始往叶根方向)5 m的层压板厚度变化不超过30%。

② 铺 层 起 止点:层合板和芯材在叶片2上的展向铺层(层间结束的半径)与叶片1的最外层5m相比变化不超过10%。

③弦长:叶片最外层5米,叶片2弦长在叶片1弦长的20%以内。

④翼型厚度:叶片最外层5米,叶片2的翼型厚度在叶片1翼型厚度的25%以内。

 

(2)防雷系统的一致性

①防雷等级:叶片面积定义,两叶片相同。

②防雷系统一致:两叶片的LPS概念(接闪器类型、引下线、连接组件、等电位焊接、LPS组件数量、绝缘材料的介电强度、绝缘厚度)相同。

③接闪器数量:叶片长度的最外层15%,叶片2与叶片1的接闪器数量相同。

④接闪器位置:从叶尖到叶片2长度的10%内,测得的接闪器位置在叶片1叶尖到最外层15%以内。

⑤接闪器连接方式:对于两叶片(绝缘厚度不超过10%),与引下线绝缘有关的绝缘协调相同。

 

(3)叶片材料一致性

两叶片在纤维材料体系、树脂体系、叶尖接闪器材料和叶中接闪器材料需要一致。

如果完全满足以上内容,那么认为叶片2的防雷系统与叶片1相似。

 

       五、小结

        镀铜接地棒叶片是风电机组的重要部件,提升叶片防雷设计,重视叶片雷击试验,防范叶片的雷击损坏,减少雷电灾害带来的经济损失。

镀铜接地棒叶片防雷设计、测试及相似性验证