淺析風力發電機組的雷電防護

　　隨著風電技術的發展，大型風力發電機不斷研制成功，隨之機組的塔架也越來越高，風力機遭受雷擊的幾率也比過去增加了很多，在沿海或林區的風電場，防雷是不可忽視的，在這些風電場盡管也采取了一些防雷措施，但雷擊還是造成了葉片和電控器件的損壞，借鑒經驗及總結教訓，我們應該做到防患于未燃，將防雷工作做的更徹底、更全面，以使雷擊對風機的損壞降到最小。

　　《大電機技術》(雙月刊)創刊于1971年，由哈爾濱大電機研究所主辦。本刊是全國中文核心期刊，主要介紹我國大中型水電機組、火電汽輪發電機組、交直流電機、特種電機及其輔助設備等產品的科學研究、技術開發、設計制造、試驗計算、安裝調試、監測監控和故障分析等專業技術領域的內容。

　　一、引言

　　雷電是自然界中一種常見的放電現象。關于雷電的產生有多種解釋理論，通常我們認為由于大氣中熱空氣上升，與高空冷空氣產生摩擦，從而形成了帶有正負電荷的小水滴。當正負電荷累積達到一定的電荷值時，會在帶有不同極性的云團之間以及云團對地之間形成強大的電場，從而產生云團對云團和云團對地的放電過程，這就是通常所說的閃電和響雷。

　　具體來說，冰晶的摩擦、雨滴的破碎、水滴的凍結、云體的碰撞等均可使云粒子起電。一般云的頂部帶正電，底部帶負電，兩種極性不同的電荷會使云的內部或云與地之間形成強電場，瞬間劇烈放電爆發出強大的電火花，也就是我們看到的閃電。在閃電通道中，電流極強，溫度可驟升至2萬攝氏度，氣壓突增，空氣劇烈膨脹，人們便會聽到爆炸似的聲波振蕩，這就是雷聲。而對我們生活產生影響的主要是近地的云團對地的放電。經統計，近地云團大多是負電荷，其場強最大可達20kV/m。

　　二、雷電的危害

　　自然界每年都有幾百萬次閃電。雷電災害是“聯合國國際減災十年”公布的最嚴重的十種自然災害之一。最新統計資料表明，雷電造成的損失已經上升到自然災害的第三位。全球每年因雷擊造成人員傷亡、財產損失不計其數。雷擊造成的危害主要有5種：

　　(1)直擊雷

　　帶電的云層對大地上的某一點發生猛烈的放電現象，稱為直擊雷。它的破壞力十分巨大，若不能迅速將其瀉放入大地，將導致放電通道內的物體、建筑物、設施、人畜遭受嚴重的破壞或損害——火災、建筑物損壞、電子電氣系統摧毀，甚至危及人畜的生命安全。

　　(2)雷電波侵入

　　雷電不直接放電在建筑和設備本身，而是對布放在建筑物外部的線纜放電。線纜上的雷電波或過電壓幾乎以光速沿著電纜線路擴散，侵入并危及室內電子設備和自動化控制等各個系統。因此，往往在聽到雷聲之前，我們的電子設備、控制系統等可能已經損壞。

　　(3)感應過電壓

　　雷擊在設備設施或線路的附近發生，或閃電不直接對地放電，只在云層與云層之間發生放電現象。閃電釋放電荷時，在電源和數據傳輸線路及金屬管道金屬支架上感應生成過電壓。

　　雷擊放電于具有避雷設施的建筑物時，雷電波沿著建筑物頂部接閃器(避雷帶、避雷線、避雷網或避雷針)、引下線泄放到大地的過程中，會在引下線周圍形成強大的瞬變磁場，輕則造成電子設備受到干擾，數據丟失，產生誤動作或暫時癱瘓;嚴重時可引起元器件擊穿及電路板燒毀，使整個系統陷于癱瘓。

　　(4)系統內部操作過電壓

　　因斷路器的操作、電力重負荷以及感性負荷的投入和切除、系統短路故障等系統內部狀態的變化而使系統參數發生改變，引起的電力系統內部電磁能量轉化，從而產生內部過電壓，即操作過電壓。操作過電壓的幅值雖小，但發生的概率卻遠遠大于雷電感應過電壓。實驗證明，無論是感應過電壓還是內部操作過電壓，均為暫態過電壓(或稱瞬時過電壓)，最終以電氣浪涌的方式危及電子設備，包括破壞印刷電路印制線、元件和絕緣過早老化壽命縮短、破壞數據庫或使軟件誤操作，使一些控制元件失控。

　　(5)地電位反擊

　　如果雷電直接擊中具有避雷裝置的建筑物或設施，接地網的地電位會在數微秒之內被抬高數萬或數十萬伏。高度破壞性的雷電流將從各種裝置的接地部分，流向供電系統或各種網絡信號系統，或者擊穿大地絕緣而流向另一設施的供電系統或各種網絡信號系統，從而反擊破壞或損害電子設備。同時，在未實行等電位連接的導線回路中，可能誘發高電位而產生火花放電的危險。

　　三、風力發電機防雷的必要性分析

　　在某些沿海風電場，如果廣東石碑山風電場，雷電日為40個左右,為雷雨多發地區,而據統計資料顯示,對于高度為h(m)的建筑物在每年平均10個雷電日的情況下,年遭雷擊的概率N如表1所示:

　　表1高度與雷擊次數的關系

　　高度h(m) 20 50 100 200

　　N雷擊數/年 0.02 0.1 0.3 1

　　年均雷電日10天

　　表2顯示了在強雷區中結構物分別高于12-16米都應考慮設置防雷保護,如金風S43/600風力發電機塔架高度為48.5米,加之葉片長度應在60米以上,因而更易遭到雷擊.

　　表2應設防雷保護的結構物高度

　　雷區等級 年平均雷電日X 結構物高度h(m) 說明

　　輕雷區 X<30 h>24 應考慮防止直接雷擊

　　中雷區 3530 同上

　　強雷區 X>80 h>16 同上

　　統計表明風力發電機受到的雷擊大多是直接雷擊,并且遭受雷擊的風機如果缺少有效的防雷保護，其葉片和電器系統都會受到不同程度的損壞,嚴重的會導致風力發電機發生著火。因此，風機的防雷技術很重要，應引起各風機制造廠家的重視，以使風機遭受雷擊時受到的損害為最小。

　　四、金風S43/600風力機的雷電防護體系

　　金風S43/600機組的全雷電防護體系,包括對葉片、機艙、塔架、輸電線路以及控制系統.它是利用雷電的選擇最小阻抗路徑的自然特性,人為架設一條低阻抗通路,讓雷電的能量順著預定的線路泄放,降低電位提升,減小溫度升高,保護風力機設備免遭損壞.具體的防雷體系及修改建議如下:

　　(一)葉片的防雷保護

　　雷電擊中葉片后,在內部形成的高溫以及造成的空氣膨脹,使葉片開裂,因此對于葉片的防雷應給以足夠的重視,葉片采用內置式的雷電接閃器。見下圖：

　　這種防雷裝置經過試驗室測定：可經受

　　1600KV的雷擊電壓和200KA的電流。

　　該裝置簡單精巧，與葉片的壽命一樣。

　　如果需要，可以很方便的更換。

　　圖1葉片的雷電保護

　　1.液壓缸支架2.鋼絲3.碳纖維軸4.接閃器

　　整個葉片分成兩段,葉尖部分玻璃纖維聚脂層預制鑄鋁型心作為接閃器,通過碳纖維材料的阻尼器軸,與連接輪轂的葉尖阻尼器鋼絲相連接,當遭到雷擊時,雷電流經葉片中金屬導體迅速傳到葉根金屬法蘭和輪轂,在機艙主軸端設有兩個防雷碳刷,用于傳接由葉尖傳過來的雷電流,最后通過接地低阻抗通路時雷電能量泄放,從而達到防雷目的。

　　在這里提出,鋼絲繩與輪轂之間的連接導線采用專用的銅線,導線的橫截面積不少于50mm².在石碑山風電場中,接地線的螺栓發生腐蝕,使導線和底板接觸不良,形成隱患。建議對接地螺栓采用防腐性能更好的螺栓.或采用專門的防腐材料進行及時有效的防腐。另外,葉尖接閃面較小,接閃器離葉尖太遠,雷電流經過葉尖雷擊點到接閃器之間的玻璃纖維時引起葉尖材料溫度急劇升高而爆裂。

　　(二)對機艙的保護

　　風力機的風輪、機艙都是轉動的，要將雷電的能量從轉動的部分可靠的引到地下，關鍵要保持良好的接觸，否則雷電流將會流到機艙其他部位，比如擊穿油膜，對軸承或齒輪箱放電，從而損壞設備。

　　安裝在機艙罩后上部的避雷針可以保護整個機艙,同時機艙內各部件包括機艙罩通過95mm²的接地電纜與機艙底座連接,機艙底座通過偏航軸承與塔架連接,確保雷電流迅速從塔架流入大地。

　　圖2發電機接地線圖3齒輪箱接地線

　　根據在風電場維護運行中，發現以上圖片中接地電纜長度較長,發電機接地線的長度按工藝要求為550mm,可以縮減到520mm;齒箱接地線可以由610mm縮減到580mm,就可以滿足安裝要求.另一方面,接地線越短,其電阻越小,那么風機的低阻抗通路性能就越好.

　　(三)風機的接地

　　風機的接地系統是風機防雷系統中的關鍵環節，應包括一個圍繞風機基礎的環狀導體，與基礎一同構成風機的接地系統，環狀導體采用70mm²或更大些的銅導體，若按這種方式測得接地電阻>2Ω,則必須采取措施如增加電極直到≤2Ω。

　　如圖所示：

　　圖4風機接地

　　1.環狀金屬導體2.接地電極

　　廣東石碑山風電場屬于臨海地區，土壤電阻率較高，為降低接地電阻，開挖接地網溝后，建議用土壤電阻率較低的土壤回填，會比現有的添加降阻劑效果更加顯著。

　　四、結論

　　1、改善葉尖防雷結構，接閃器離葉尖不易太遠，雷電流經過葉尖雷擊點到接閃器間的玻璃纖維時，引起葉尖材料溫度急劇升高而爆裂，建議改進風機葉片的防雷設計，訂購葉片時要求廠家提供葉片防雷的實驗數據和資料。

　　2、針對廣東沿海地區氣候潮濕，接地螺栓的防腐須提高要求，防雷保護的關鍵在于金屬接觸要充分。

　　3、針對臨海地區土壤電阻率較高，建議在開挖接地網溝后，用電阻率低的土壤回填。