风力发电叶片防雷的技术路线梳理

风力发电叶片防雷的技术路线梳理

发表时间：2019-08-13T16:10:42.147Z 来源：《科学与技术》2019年第06期作者：朱钰荣

[导读] 基于专利文件梳理了风力发电叶片的防雷技术逐步发展路线。

(国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心广东广州 510530)

摘要]风力发电机通常是耸立在地面或海面上的庞大结构，而且高度越高，转子叶片对风能利用率也越高，然而，风力发电机遭受雷击的风险就越高。雷击在极短时间内包含10-200千安极强电流，由于被封闭在叶片内的空气爆炸性的膨胀，严重的能使叶片炸裂，因此，保护风力发电机免遭受雷击的系统受到大家的关注。本文基于专利文件梳理了风力发电叶片的防雷技术逐步发展路线。

[关键词]防雷；叶片；接收体；传导

叶片防雷的技术研究主要是围绕雷电的接收、雷电在叶片中的传导以及雷电从叶片向轮毂/机舱的传导展开。

雷电接收器

最初，雷电接受通常在叶尖部位设置雷电接收器伸出叶尖，例如EP0783629A。随后，EP1154537A提出了在叶片后缘设置铝制帽，然而，因为雷电能量使雷击位置处的铝蒸发并且雷击会产生大量的热使得叶片位于帽下方的部位损坏。CN1839259A提出了将叶片尖部设置为由实心金属制成，将稍部作为雷电保护装置的一部分，雷电传递效果比较好且耐受温升而且还不需要经常检查或维修。然而，上述结构存在叶片与金属之间的连接处被雷电损害的危险，为此，CN102822518A中公开了在连接处设置陶瓷构件。

另一方面，有技术提出将碳纤维物质作为导电体附加于叶片中，使叶片本身用作避雷器。例如CN1317072A提出了将碳素纤维增强塑料带设置于叶片的上下表面、前缘以及后缘位置，上述碳素纤维物质构成叶片本身的一部分，既增强了叶片，又转移了雷电。然而，上述碳纤维容易受雷电袭击导致纤维损坏。CN1867772A提出了在叶片表面或附近设计多个金属接收器接收雷电，充当主要的雷电俘获装置。然而，多个分散的雷电接收器受数量限制，很有可能雷电冲击会击到两个接收器之间，导致叶片破坏，为此：有研究提出包括设置到叶片外壳上的金属网格叠层，然而，上述网格叠层制造过程中导致成本加高且设计复杂。CN101438055则提出了在叶片尖端与叶片其他部分之间设置内部阻挡层形成隔断腔，腔中设置与接收器连接的接闪器底座，而且在腔中填充高介电强度的材料，避免在雷电不击中接收器的情况下损坏叶片。 CN101655071A则提出了在叶尖部位设置导电或半导体材料，导电或半导电材料构造成形成围绕转子叶片的尖端部分的绝缘结构或复合材料的一类法拉第笼，实现雷电的接收。CN101936264A提出了在叶片尖端内侧设置传导性或半传导性的大体上平坦的元件形成电场控制区域，导致雷击期间闪电放电到尖端区域内。DE102006044323A1中提出了在叶片表面设置分布有导电颗粒的陶瓷材料涂层。然而，陶瓷涂层容易脱落，CN102261310A提出了在叶片表面设置带有导电颗粒的玻璃纤维涂层，涂层连接到闪电接收器，弥补了接收器数量太少的缺陷。CN10226131A则提出了在叶片表面设置电荷发生器从而在雷电接收器处产生静电场将雷电流引导到所述雷电接收器从而弥补了接收器面积和数量有限的缺陷。

叶片中的雷电传导

最初，通常在叶片内腔中设置导电电缆或钢缆作为雷电导体传递电流，例如EP0783629中，然而，上述导电电缆或钢缆会遭受经过转子叶片的非导电部分的雷电的直接袭击。为此，CN101165340A提出了在部分电缆外围设置绝缘层进行覆盖。还有研究提出在叶表面设置导电网，其中，CN101949366A则将叶片表面的金属网的布置进行进一步优化，仅叶片宽度的中心部位被雷电防护网覆盖，整个金属网在两端形成锥形端部。

另一方面，随着碳纤维元件在叶片中的使用，有研究提出将碳纤维物质作为导电体附加于叶片上，使叶片本身用作避雷器，例如

CN1317072A中公开的将碳素纤维增强塑料带设置于叶片的上下表面、前缘以及后缘位置，上述碳素纤维物质构成叶片本身的一部分，既增强了叶片，又转移了雷电，然而，上述技术中导电电流因为在单独的纤维中传递可能会引起损坏，CN1867772A则提出了在导电纤维之间设置导电装置实现导电纤维之间的连接，如有雷电流的话，这些纤维将协力传导该雷电流。考虑到现有叶片大多含有非雷电系统的纤维增强元件，特别是碳纤维元件，必须与防雷电系统电位相等，不然在雷电流传导过程中会产生致命的损坏，CN101080570A提出了与碳纤维元件接触的纵向延伸铜片实现了等碳纤维与防雷系统的等电位；CN101094986A中提出了将纤维层构成的叶片与叶片腔体中的雷电流主电缆之间实现电连接。

叶片外的雷电传导

叶片的雷电电流往外传导至轮毂/机舱，进而传导至大地。考虑到叶片变桨导致叶片与转子之间的转动以及转子与机舱之间的转动连接，上述雷电传导包括接触式传导和非接触式传导。

（1）接触式传递

最初公知的是雷电从叶片引下线通过变桨装置或叶片和主轴之间的任何机构传递至主轴，继而机舱与该主轴接触的滑动触点以便电流进入齿轮装置之前从该主轴除去电流。上述传递方式属于内部接触式传导方式，存在雷电电流在其通路内从转子叶片到机舱经过了风轮机的不同部件，雷电内的巨大能量会通过形成电弧对这些部件造成损害。随后提出了很多改进方式将雷电从叶片外部传出的，其中：

CN1711418A提出了在叶片根部外表面设置滑动接触件，从而将叶片内部的闪电导体与弧形滑动接触件滑动连接，滑动接触件通过固定至轮毂的接触单元连接至轮毂，保证电流的传导与叶片变桨无关。 EP1154537A则提出了将转子叶片的雷电保护系统与机舱之间直接通过滑动触点，然而，上述滑动接触存在容易被磨损而导致接触不良的问题，CN1878953A提出了在叶片和机舱上分别设置接触表面并且在两个接触表面之间设置力传递装置用于将两个接触面之间建立连续的连接，实现了雷电连接装置牢固的安装在叶片和机舱之间，进而两个没有相对运动的接触装置之间通过电导体连接保证雷电的稳定传动，而CN107110126则在其基础上对所述雷电连接装置的结构形式做了进一步改进，确保了上述接触件和接触表面之间直接电连接；CN102767487A中则提出了使用高压绝缘电缆配合围绕高压绝缘电缆设置的屏蔽设备替代现有的雷电传输电缆解决了雷电流在流经各部件时对各部件产生的破坏。

（2）非接触式传递

早期典型的非接触式雷电传导为：雷电保护系统包括位于风力发电机叶片上的导体环和位于机舱外侧顶部上的非线性电阻，从而在导体环和非线性电阻之间产生电弧，例如，EP1036937A。然而，上述设置意味着只有在雷电叶片恰好处于位于竖直位置时才会产生电弧，而