CN112117650A - 一种风电场风力机风叶防雷击装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电场风力机风叶防雷击装置及方法，属于防雷灭弧领域，包括风机风叶，所述风机风叶的尖端设置有尖端反冲灭弧装置，所述风机风叶上设置有若干个叶面反冲灭弧装置，所述风机风叶内设置有接地线，并接地，尖端反冲灭弧装置和叶面反冲灭弧装置均与接地线连接。本发明反冲灭弧装置的结构简单，体积较小，适合应用于风机风叶上，反冲灭弧装置能够通过雷电弧自身的能量熄灭电弧，具有强大的灭弧能力，反冲灭弧装置能够熄灭全部或绝大部分的闪络电弧，此时流经风机接地导线的雷电流幅值已非常小，能够有效避免因土壤电阻率过高而造成的风机雷电反击事故。

Description

一种风电场风力机风叶防雷击装置及方法

技术领域

本发明涉及防雷灭弧领域，尤其涉及一种风电场风力机风叶防雷击装置及方法。

背景技术

近年来，风力发电得益于风能清洁可再生，且具有较强的适应性和环境友好性等优点而迅速发展，越来越受到世界各国的重视。

然而，风力发电的迅速发展与大规模应用，也带来了更加巨大的防雷挑战。大多数风电场地处空旷，风电机组由于其所处的复杂的大气环境，及自身高大耸立且带有旋转元件的非标准结构特点，极易遭受雷击。风电机组的装机容量的上升，机身高度及叶片长度的增加，更使得雷击风电机组的风险增大。且雷击风机造成的损伤多数为不可修复损伤，由其造成的故障与停机时间最为严重，产生的经济损失远超其它故障总和，已成为限制风电大规模发展的关键因素。叶片是风电机组中位置最高的部件，因此相较于其他位置极易遭受直接雷击，造成损失。

目前叶片主要采用的防雷方法是在叶片上安装接闪器。随着叶片长度的不断增加，仅靠一个接闪器很难实现完全保护覆盖，会有部分雷电先导在叶片表面的非接闪器部位发生闪击，引起叶片材料的损伤。为此，大型风机叶片常见做法是安装多个接闪器，各组接闪器均与内嵌引下线进行电气连接，引下线最终通过接地电阻与大地相连。由于风电场大多位于沿海山区等高土壤电阻率地区，雷击风机叶尖时流过的雷电流很大，容易造成雷电反击事故。为了减小雷击风机风叶时流经的雷电流幅值，防止或避免雷电反击，因此提出了一种风电场风力机风叶防雷击方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风电场风力机风叶防雷击装置及方法，解决现有风机容易造成雷电反击事故的技术问题。

一种风电场风力机风叶防雷击装置，包括风机风叶，所述风机风叶的尖端设置有尖端反冲灭弧装置，所述风机风叶上设置有若干个叶面反冲灭弧装置，所述风机风叶内设置有接地线，并接地，尖端反冲灭弧装置和叶面反冲灭弧装置均与接地线连接。

进一步地，尖端反冲灭弧装置和叶面反冲灭弧装置包括引弧电极、反冲管和接闪电极，所述接闪电极设置在反冲管的底部，且接闪电极与接地线连接，所述引弧电极设置在反冲管顶部。

进一步地，所述尖端反冲灭弧装置设置在风机风叶的尖端向内凹陷，尖端反冲灭弧装置的反冲口指向风机风叶的尖端指向的方向。。

进一步地，叶面反冲灭弧装置与叶面反冲灭弧装置之间设置有接闪线，所述接闪线一端设置在一个叶面反冲灭弧装置的引弧电极，另一端设置在相邻一个叶面反冲灭弧装置的引弧电极上。

进一步地，若干个叶面反冲灭弧装置设置为多排结构，从风机风叶的尖端往风机风叶的根部排列，多排结构的叶面反冲灭弧装置均与接地线连接，相邻的两排的叶面反冲灭弧装置设置接闪线连接。

一种风电场风力机风叶防雷击方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：在风机风叶上设置若干个叶面反冲灭弧装置，风机风叶内部设置有接地线，并接地，叶面反冲灭弧装置包括引弧电极、反冲管和接闪电极，所述接闪电极设置在反冲管的底部，且接闪电极与接地线连接，所述引弧电极设置在反冲管顶部；

步骤2：当雷击闪络电弧接近风机叶片时，叶面的反冲灭弧装置上的引弧电极通过对闪络电弧形成上行先导，将电弧牵引至反冲灭弧装置的入口处；

步骤3：外电弧在接闪电极作用下进入反冲管，反冲管的内径远小于电弧直径，电弧弧柱在反冲管内受到狭管灌注作用；

步骤4：电弧在反冲管受到强制压缩，电弧产生弹性形变，反冲管内外温差变大，导致压力差变大，产生了由内向外的定向电弧压爆效应；

步骤5：反冲管与外部的压力差变大，当反冲管管内压力大于管外压力时，产生由内向外的定向电弧压爆效应，压爆效应造成电弧排放：一方面，管内电弧被迅速排空；另一方面，外电弧空腔效应，阻断外电弧能量的注入；

步骤6：叶面反冲灭弧装置在雷电弧产生的同时将电弧截断并熄灭，雷电流流入大地的值已非常小，不会造成雷电反击。

进一步地，所述步骤4中，压爆效应造成电弧排放，内电弧被迅速排空，外电弧空腔效应，阻断外电弧能量的注入，电弧的连续性被破坏，电弧能量被大量削减，加速冲击电弧的熄灭。

进一步地，所述步骤1中风机风叶的尖端设置有尖端反冲灭弧装置，尖端反冲灭弧装置与接地线连接，尖端反冲灭弧装置包括引弧电极、反冲管和接闪电极，所述接闪电极设置在反冲管的底部，且接闪电极与接地线连接，所述引弧电极设置在反冲管顶部，尖端反冲灭弧装置开口指向尖端位置。

进一步地，所述步骤1中，若干个叶面反冲灭弧装置设置为多排结构，从风机风叶的尖端往风机风叶的根部排列，多排结构的叶面反冲灭弧装置均与接地线连接，相邻的两排的叶面反冲灭弧装置设置接闪线连接。

本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

(1)本发明反冲灭弧装置的结构简单，体积较小，适合应用于风机风叶上，反冲灭弧装置能够通过雷电弧自身的能量熄灭电弧，具有强大的灭弧能力，反冲灭弧装置能够熄灭全部或绝大部分的闪络电弧，此时流经风机接地导线的雷电流幅值已非常小，能够有效避免因土壤电阻率过高而造成的风机雷电反击事故。

(2)电弧等离子体发生弹性形变，电弧等离子体在进入反冲管入口时，首先物理形状发生改变，由粗电弧变成了极细的电弧，径向压力转成轴向压力，由于狭管反冲效应，在电弧反冲时喷出速度会加快；电弧温升效应加剧。电弧变细后，电弧横截面积减小，根据公式

电弧电阻会大幅度上升。由于雷电弧在实际经验工作中常作为恒流源，根据公式W＝∫I²×RΔt可知，尽管冲击时时间仅有几微秒，但整体能量会增强，反冲管内敛性温度会升高，压爆效应急剧增加。当温度的逐步升高使得电弧积累性的增加，又进一步加剧了压爆效应，使电弧喷射力度更大。

附图说明

图1是本发明的风叶防雷击装置剖面图。

图2是本发明的风叶外部结构示意图。

图3为本发明反冲灭弧装置剖面图。

图4是本发明风叶上接闪结构分布示意图。

图5是本发明电场风力机结构示意图。

图6是本发明反冲灭弧装置原理图。

图7是本发明反冲灭弧的流程图。

附图说明：1-风机风叶；2-尖端反冲灭弧装置；3-接地线；4-叶面反冲灭弧装置；5-引弧电极；6-反冲管；7-接闪电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

如图1-2所示，本发明一种风电场风力机风叶防雷击装置，包括风机风叶1，所述风机风叶1的尖端设置有尖端反冲灭弧装置2，所述风机风叶1上设置有若干个叶面反冲灭弧装置4，所述风机风叶1内设置有接地线3，并接地，尖端反冲灭弧装置2和叶面反冲灭弧装置4均与接地线3连接。尖端反冲灭弧装置2和叶面反冲灭弧装置4包括引弧电极5、反冲管6和接闪电极7，所述接闪电极7设置在反冲管6的底部，且接闪电极7与接地线3连接，所述引弧电极5设置在反冲管6顶部。所述尖端反冲灭弧装置2设置在风机风叶1的尖端向内凹陷，反冲口垂直向外指向设置。

在风电场风机风叶1的叶尖与叶面设置了若干个反冲灭弧防雷装置，反冲灭弧防雷装置主要由三部分组成，分别为引弧电极5、反冲管6和接闪电极7。其中，反冲管为一个半封闭中空管道，反冲管6的管壁为高强度绝缘材料，例如陶瓷等；反冲管封闭端为一个球形或椭球形接闪电极7，接闪电极为金属导弧材料；在反冲管的开口处设置了一个金属引弧电极5，引弧电极的形状为圆环状，而且引弧电极内嵌在反冲管开口处的管内壁上。风叶1上反冲灭弧装置的接闪电极5都与接地导线3电气相连，最终与大地相连。

叶面反冲灭弧装置4与叶面反冲灭弧装置4之间设置有接闪线，所述接闪线一端设置在一个叶面反冲灭弧装置4的引弧电极5，另一端设置在相邻一个叶面反冲灭弧装置4的引弧电极5上。

如图4所示，若干个叶面反冲灭弧装置4设置为多排结构，从风机风叶1的尖端往风机风叶1的根部排列，多排结构的叶面反冲灭弧装置4均与接地线3连接，相邻的两排的叶面反冲灭弧装置4设置接闪线连接，尖端和叶面上的反冲灭弧装置如图4所示。

反冲管6的管壁由高强度耐高温耐高压的非导电材料制成，引弧组件设置为导电金属环，并且导电金属环的外侧壁紧贴于反冲管的内壁，接闪组件由导电材料制成。高强度耐高温耐高压的非导电材料使用合金陶瓷、稀土陶瓷、石墨烯-陶瓷复合材料、有机陶瓷、合成硅橡胶、有机绝缘材料、合金玻璃、稀土玻璃、石墨烯玻璃、有机玻璃中的任意一种。

如图7所示，灭电弧过程为，当雷击闪络电弧接近风机风叶1时，引弧电极5通过对闪络电弧的物理触碰、库仑力作用或者尖端放电形成上行，将电弧牵引至第一个反冲管入口附近，外电弧在第一个反冲管的引弧组件牵引下进入极细的反冲管，其中，反冲管内径远小于电弧直径，电弧弧柱在反冲管内受到狭管灌注作用，电弧因受到反冲单元中管壁限制，弧柱直径强制减小，整个电弧导电横截面积变小，电弧电阻增大，由功率计算公式：P＝I²·R可知，电弧功率也增大，使得管内热量、温度均升高，此为功率性温升，同时，入口电弧与出口电弧在管内发生180°对冲碰撞，切断了电弧辐射、对流、传导、流失的通道，散热被阻断，温度进一步上升，此为阻断性温升，电弧等离子体在管内密度急剧增大，粒子之间的摩擦、碰撞加快，热量、温度再次升高，此为摩擦性温升，三大温升效应使得管内外温度差变大，压力差也变大，当反冲管管内压力大于管外压力时，产生由内向外的定向电弧压爆效应，管内电弧被迅速排空，外电弧空腔效应，阻断了外电弧能量的注入，剩余电弧依次经接闪线接闪、下一个引弧组件5导弧后进入下一反冲管6，之后的反冲灭弧过程同上，最终，电弧在多个断点同时断裂，其连续性被破坏，加速冲击电弧的熄灭。

如图6所示本申请中，可定义外电弧在入口处速度为v0，压强为p0，密度为ρ0，温度为T0。外电弧进入反冲组件后，形成的入口电弧速度v1，压强为p1，密度为ρ1，温度为T1。经过引弧组件后出口电弧速度v2，压强为p2，密度为ρ2，温度为T2。外电弧通过入口进入反冲组件形成了内电弧，内电弧受到反冲组件壁的限制，直径被大尺度机械压缩，使得内电弧温度、密度、压强和速度均上升。不考虑电弧能量流失和摩擦作用，当入口电弧经过接闪组件实现弹性碰撞瞬间，认为v1＝-v2，即入口电弧速度大小与出口速度大小相等，方向相反。考虑电弧能量流失和摩擦作用，入口电弧经过接闪组件碰撞后，认为∣v2∣＜∣v1∣，即出口速度大小比入口速度小，方向相反。出口电弧受到入口电弧的阻碍作用，出口电弧直径比入口电弧直径小，使出口电弧的密度、温度和压强均比入口电弧的大，即ρ2＞ρ1，T2＞T1，p2＞p1，这些共同作用，使v2增速大于v1增速，即a2＞a1。随着出口电弧直径不断被压缩，使得出口电弧密度、温度和压强不断增大，最终形成v2＞v1，促使出口电弧从入口处冲出反冲组件。出口电弧以冲出反冲组件后，对外电弧形成空腔效应，破坏电弧连续性，削弱电弧能量，加速其截断和熄灭。

考虑到反冲组件中原有存在着空气，当电弧进入反冲组件后，形成的一系列效应和机制，使得反冲组件中的空气被压缩，造成反冲组件内气压升高，减小了电子的自由行程长度，削弱和抑制了电离过程，使电气绝缘强度显著提高，有利于电弧截断和熄灭。根据实验数据可知，当空气从0.1Mpa(1atm)被压缩至2.8Mpa时，被压缩空气击穿电压可上升至标准空气击穿电压(30kV/cm)的9～12倍，极大地提高了电气绝缘强度。反冲组件中原有的空气，受到反冲组件中温升效应和压升效应的影响，产生的喷射气流从反冲组件喷射并作用于外电弧，利用气流对外电弧的空腔效应，加速外电弧的对流、辐射和传导，使电弧由导电性转化为介质性，形成电弧自熄灭。

一种风电场风力机风叶防雷击方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1：如图1-5所示，在风机风叶1上设置若干个叶面反冲灭弧装置4，风机风叶1内部设置有接地线3，并接地，叶面反冲灭弧装置4包括引弧电极5、反冲管6和接闪电极7，所述接闪电极7设置在反冲管6的底部，且接闪电极7与接地线3连接，所述引弧电极5设置在反冲管6顶部。中风机风叶1的尖端设置有尖端反冲灭弧装置2，尖端反冲灭弧装置2与接地线3连接。尖端反冲灭弧装置2包括引弧电极5、反冲管6和接闪电极7，所述接闪电极7设置在反冲管6的底部，且接闪电极7与接地线3连接，所述引弧电极5设置在反冲管6顶部，尖端反冲灭弧装置2开口指向尖端位置。

若干个叶面反冲灭弧装置4设置为多排结构，从风机风叶1的尖端往风机风叶1的根部排列，多排结构的叶面反冲灭弧装置4均与接地线3连接，相邻的两排的叶面反冲灭弧装置4设置接闪线连接。

反冲管6内径小于电弧直径，反冲管的内径为2.5-10mm，输电线路电压等级越高，反冲管内径越大。

步骤2：当雷击闪络电弧接近风机叶片1时，叶面的反冲灭弧装置4上的引弧电极5通过对闪络电弧形成上行先导，将电弧牵引至反冲灭弧装置4的入口处。

步骤3：外电弧在接闪电极5作用下进入反冲管6，反冲管6的内径远小于电弧直径，电弧弧柱在反冲管6内受到狭管灌注作用。电弧进入反冲管内后形成电弧弧柱，电弧弧柱在反冲管内受到狭管灌注作用，电弧发生弹性变形，电弧等离子体弹性变形能量形成反冲力，电弧径向变形转变为轴向变形，提高了轴向弹性力。

步骤4：电弧在反冲管6受到强制压缩，电弧产生弹性形变，反冲管内外温差变大，导致压力差变大，产生了由内向外的定向电弧压爆效应。压爆效应造成电弧排放，内电弧被迅速排空，外电弧空腔效应，阻断外电弧能量的注入，电弧的连续性被破坏，电弧能量被大量削减，加速冲击电弧的熄灭。

电弧因受到反冲管中管壁限制，弧柱直径强制减小，整个电弧导电横截面积变小，电弧电阻增大，由功率计算公式：P＝I²·R可知，电弧功率也增大，使得管内热量、温度均升高。反冲管入口电弧与反冲管反冲的出口电弧在管内发生180°对冲碰撞，切断了电弧辐射、对流、传导、流失的通道，散热被阻断，温度二次上升。电弧等离子体在反冲管内密度增大，粒子之间摩擦、碰撞加快，热量、温度再次升高

步骤5：反冲管6与外部的压力差变大，当反冲管6管内压力大于管外压力时，产生由内向外的定向电弧压爆效应，压爆效应造成电弧排放：一方面，管内电弧被迅速排空；另一方面，外电弧空腔效应，阻断外电弧能量的注入。

步骤6：叶面反冲灭弧装置4在雷电弧产生的同时将电弧截断并熄灭，雷电流流入大地的值已非常小，不会造成雷电反击。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种风电场风力机风叶防雷击装置，包括风机风叶(1)，其特征在于：所述风机风叶(1)的尖端设置有尖端反冲灭弧装置(2)，所述风机风叶(1)上设置有若干个叶面反冲灭弧装置(4)，所述风机风叶(1)内设置有接地线(3)，并接地，尖端反冲灭弧装置(2)和叶面反冲灭弧装置(4)均与接地线(3)连接。

2.根据权利要求1所述的一种风电场风力机风叶防雷击装置，其特征在于：尖端反冲灭弧装置(2)和叶面反冲灭弧装置(4)包括引弧电极(5)、反冲管(6)和接闪电极(7)，所述接闪电极(7)设置在反冲管(6)的底部，且接闪电极(7)与接地线(3)连接，所述引弧电极(5)设置在反冲管(6)顶部。

3.根据权利要求2所述的一种风电场风力机风叶防雷击装置，其特征在于：所述尖端反冲灭弧装置(2)设置在风机风叶(1)的尖端向内凹陷，尖端反冲灭弧装置(2)的反冲口指向风机风叶(1)的尖端指向的方向。

4.根据权利要求2所述的一种风电场风力机风叶防雷击装置，其特征在于：叶面反冲灭弧装置(4)与叶面反冲灭弧装置(4)之间设置有接闪线，所述接闪线一端设置在一个叶面反冲灭弧装置(4)的引弧电极(5)，另一端设置在相邻一个叶面反冲灭弧装置(4)的引弧电极(5)上。

5.根据权利要求1所述的一种风电场风力机风叶防雷击装置，其特征在于：若干个叶面反冲灭弧装置(4)设置为多排结构，从风机风叶(1)的尖端往风机风叶(1)的根部排列，多排结构的叶面反冲灭弧装置(4)均与接地线(3)连接，相邻的两排的叶面反冲灭弧装置(4)设置接闪线连接。

6.一种风电场风力机风叶防雷击方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1：在风机风叶(1)上设置若干个叶面反冲灭弧装置(4)，风机风叶(1)内部设置有接地线(3)，并接地，叶面反冲灭弧装置(4)包括引弧电极(5)、反冲管(6)和接闪电极(7)，所述接闪电极(7)设置在反冲管(6)的底部，且接闪电极(7)与接地线(3)连接，所述引弧电极(5)设置在反冲管(6)顶部；

步骤2：当雷击闪络电弧接近风机叶片(1)时，叶面的反冲灭弧装置(4)上的引弧电极(5)通过对闪络电弧形成上行先导，将电弧牵引至反冲灭弧装置(4)的入口处；

步骤3：外电弧在接闪电极(5)作用下进入反冲管(6)，反冲管(6)的内径远小于电弧直径，电弧弧柱在反冲管(6)内受到狭管灌注作用；

步骤4：电弧在反冲管(6)受到强制压缩，电弧产生弹性形变，反冲管内外温差变大，导致压力差变大，产生了由内向外的定向电弧压爆效应；

步骤5：反冲管(6)与外部的压力差变大，当反冲管(6)管内压力大于管外压力时，产生由内向外的定向电弧压爆效应，压爆效应造成电弧排放：一方面，管内电弧被迅速排空；另一方面，外电弧空腔效应，阻断外电弧能量的注入；

步骤6：叶面反冲灭弧装置(4)在雷电弧产生的同时将电弧截断并熄灭，雷电流流入大地的值已非常小，不会造成雷电反击。

7.根据权利要求6所述的一种风电场风力机风叶防雷击方法，其特征在于：所述步骤4中，压爆效应造成电弧排放，内电弧被迅速排空，外电弧空腔效应，阻断外电弧能量的注入，电弧的连续性被破坏，电弧能量被大量削减，加速冲击电弧的熄灭。

8.根据权利要求6所述的一种风电场风力机风叶防雷击方法，其特征在于：所述步骤1中风机风叶(1)的尖端设置有尖端反冲灭弧装置(2)，尖端反冲灭弧装置(2)与接地线(3)连接，尖端反冲灭弧装置(2)包括引弧电极(5)、反冲管(6)和接闪电极(7)，所述接闪电极(7)设置在反冲管(6)的底部，且接闪电极(7)与接地线(3)连接，所述引弧电极(5)设置在反冲管(6)顶部，尖端反冲灭弧装置(2)开口指向尖端位置。

9.根据权利要求6所述的一种风电场风力机风叶防雷击方法，其特征在于：所述步骤1中，若干个叶面反冲灭弧装置(4)设置为多排结构，从风机风叶(1)的尖端往风机风叶(1)的根部排列，多排结构的叶面反冲灭弧装置(4)均与接地线(3)连接，相邻的两排的叶面反冲灭弧装置(4)设置接闪线连接。

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