根据有关资料,瑞典曾对 1487 台风电机组运行一年中发生的事故进行了统计分析。其中,雷电事故有 86 次,年故障率为 5.8%;控制系统 3 次,年故障率为 2.6%;动力系统 25 次,年故障率为 1.7%。德国和丹麦风力发电机的总事故率分别为 3%和 8%,其中,控制系统的事故率分别占 30%和 52%,电气系统的事故分别占 27%和 12%。而雷电事故、控制系统和电气设备事故往往引发火灾。据报道,全球每年约有 2%的风力发电机发生火灾,其中很大一部分是毁灭性火灾。雷击是引起风力发电机组火灾的主要原因之一。近年来,国内外大量火灾数据显示,由雷击导致风机火灾的事故率呈现上升趋势。当风力发电机组遭受雷击时,强大的雷电流通常是从机组的叶尖或机舱顶端注入,雷电流会沿机组的叶片、滑环、电刷,流过主轴承,进入塔体顶部,然后经塔体导入接地装置散入大地。

尽管风力发电机中安装有消防系统,对于机舱内部着火点的初期灭火起到关键性作用。但是,对于雷击造成的叶片或者机舱火灾事故却是束手无策。同时,消防系统由于受到雷电干扰,往往会发生误动作喷粉等,给风机的正常发电带来影响和损失。
通过分析造成风机火灾的原因,消防系统误动作的根本等问题,提出安装多电场补偿器CMCE,不但可以避免叶片免遭闪电破坏引起火灾,还可以确保消防系统工作的稳定性,防止因误动作造成的损失,减少火灾引起的损失。
什么是风机火灾事故?
指风力发电机组(包括机舱、叶片、塔筒、箱式变压器等)因内部或外部火源引发的燃烧事故,通常导致设备严重损坏,甚至烧毁整台机组。
火灾事故的内因:
如内蒙古公主岭风场“3·14”火灾 (2020年)
因变频器内部故障产生弧光放电,引燃机舱内设备,导致机舱烧损。
内蒙古某风电场“6·2”火灾 (2019年)
风机停机时接触器电弧、IGBT模块及电容爆炸,引燃机舱。事故与保护定值不合理、设备老化有关。
机械故障引发高温:主轴轴承、齿轮箱等关键部件失效或润滑不良,会产生高温热点,点燃润滑油、液压油等。高速刹车系统故障也可能因摩擦过热起火。
上述内因造成的火灾事故,通过风机内的消防系统可以在火灾初期及时扑灭火源。
火灾事故的外因
风机多采用传统防雷措施,及利用叶片布置的接闪器主动引雷,这实际上增加了叶片遭受雷击和火灾的风险。
100kA 雷电流击中风机叶片,瞬间焦耳热约 10⁶–10⁸ J(1–100 MJ),总能量约 10⁸–10⁹ J(100–1000 MJ),局部温度可达2000–5000℃,足以瞬间熔化 / 汽化复合材料并造成爆裂。
核心计算(100kA,10/350μs 标准波形)
焦耳热(叶片材料发热,Q=I²Rt)
雷电流:I=100kA=10⁵ A,持续时间:t≈350μs=3.5×10⁻⁴ s,叶片电阻(复合材料 / 引下线):
无引下线(纯复合材料):
R≈10³-10⁵Ω;
有引下线(金属+复合材料):
R≈0.1-10Ω;
计算:
无引下线:Q=(10⁵)²×10³×3.5×10⁻⁴=3.5×10⁷J(35 MJ);
有引下线:Q=(10⁵)²×1×3.5×10⁻⁴=3.5×10⁶J(3.5 MJ);
典型工程范围:10⁶–10⁸J(1–100 MJ)。
雷电总能量(含电弧、电磁、热)
标准 10/350μs 波形,单位能量(W/R)≈2×10⁶ A²·s
总能量:E=(W/R)×R=2×10⁶×R;
R=1Ω 时:2×10⁶J(2 MJ);
R=100Ω 时:2×10⁸J(200 MJ);
工程估算:10⁸–10⁹J(100–1000 MJ)。
叶片材料的热效应与破坏
温度:10–100μs内局部达2000–5000℃;
环氧树脂:350℃分解/燃烧,瞬间碳化、熔融;
玻璃纤维:800℃软化、断裂;
碳纤维:3000℃以上才熔化,但会因热应力爆裂;
热爆:内部空气/水分瞬间膨胀,压力达1–10MPa,导致鼓包、开裂、分层;
因此,一个瞬态的雷电流,足以把叶片撕裂,引发火灾等,即便在叶片安装了接闪器,也无法杜绝此类破坏的发生。
海南某风电场“5·6”火灾 (2022年)
箱变高压侧避雷器性能劣化,送电时击穿起火,烧毁变压器及部分电气设备。
雷击叶片形成的火灾,以及避雷器故障发生的火灾,由于瞬时能量高,消防系统无法熄灭。另外,雷击会引发机舱内部产生间隙放电,雷电电磁脉冲等二次破坏,加速内部电子元器件的老化。