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风力发电系统防雷设计研究

发表时间：2020/1/10 来源：《防护工程》2019年18期作者：赵忠汉

[导读] 等于在风机位周围设置了一个等电位面，既可以防止瞬间过电压造成的风机电子电器设备的损坏，还可以防止跨步电压造成的人员伤害。

中国水利水电第五工程局有限公司四川成都 610200
　　摘要：现如今，我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，我国的综合国力在不断的加强，同时风力发电已经成为一种发展趋势。文章阐述了风力发电在全球及国内的装机情况，解析了风力发电系统雷电防护的设计方法，指出了现行的一些雷电防护设计存在的问题，给出了改进方案，并提出了风场整体防雷和主动避让雷电的新思路。对于提高风力发电系统雷电防护的整体效果及经济性有一定的借鉴作用。
　　关键词：风力发电系统；雷电防护；防雷设计
　　
　　
　　引言
　　风力发电是一种清洁的可再生能源，近年来快速发展。随着风力机输出功率的逐渐增大，塔筒的高度以及叶片的直径也逐渐增大，但与此同时，也增加了风力机遭受雷击的风险，因此风力机组防雷技术的研究不容忽视。在雷击损坏中，叶片最易遭受雷击，据此，对风力机叶片雷击损坏机理及其防雷措施作了比较全面的阐述，最后分析对比了风力机组的2种防雷系统设计，使整个风机机组雷击损坏降至最低，为风力机防雷设计提供依据。
　　1风电并网的必要性
　　传统的发电是利用燃煤或燃气燃烧使热能转化为动能，然后转化为电能，会形成大量的氮氧化合物和碳氧化合物，对环境造成不利影响，而且处理发电带来的二次污染费用十分高昂。而风力发电和太阳能、水能发电一样，都属于绿色自然能发电范畴，清洁无污染，对我国的绿色可持续发展具有促进作用。另外，我国风能资源丰富，具有风能发电的基础优势，而且近些年来风能发电量迅猛增加，为我国工业发展做出了积极贡献。在我国的发展规划中，2020年要实现20GW的风电发展目标。风力发电的一种形式是离网型，即自行成网，不接入电网系统，和水利发电相结合能解决偏远地区的供电需求。但是，离网型风电形式没有充分发挥出风电的巨大优势，故此风电并网成为一种趋势。因为除了环保优势，风力发电占地少，建设工期短，而且最主要的是可以进一步实现智能化电网管理。再者，并网之后，风力发电厂可以获得电网补偿和支撑，从而进一步提高风能利用水平，以提高洁净能的利用价值。
　　2风电机组的防雷设计
　　2.1风机的接闪和引下
　　风电机组中，风机叶片的最高点即为风机最高点，当有雷暴发生时，其最易受到雷击，如我国海南东方风电场因雷击造成的风机叶片损坏率达高达5.56片/（百片·年）。现今风机叶片的表面材料大多是玻璃纤维，其为绝缘体，若雷电击中叶片时，无法将强大的雷电流迅速传走，则雷电产生的强大的热作用和机械作用将直接作用于叶片上而将其损坏，而叶片的维修费用在所有的风机雷电故障中又是最高的。因而需要在叶片上安装易于接闪、抗机械和热损伤能力强，并易于拆卸的接闪器。风机叶片的接闪器一般是在叶片表面安装若干组铜质圆盘（直径为150-200mm）或不锈钢圆盘（直径范围为50-80cm），每组接闪圆盘是在叶片的正反两面各安装一只。为了保障叶片结构的稳定，接闪圆盘不能太多，一般来说，长度小于25m的叶片，只在尖端安装一组，叶片长度每增加10m增加一组接闪圆盘。引下线是在叶片内设一条金属导线，把接闪盘和风叶底部的轮毂连接起来。当雷电袭来时，接闪圆盘接闪之后雷电流通过引线及轮毂将其传到塔筒。塔筒的金属结构可充当导体，将雷电流引入风机的接地装置散入大地。但要注意的是，由于生产塔筒过程中在搭接时存在缝隙大和搭接面偏离等问题，以塔筒做导体导雷在泄放雷电流时会产生拉弧现象，因而沿塔筒搭接面导雷时，需使用较大面积的电缆进行跨接，另外还需加大压接端子之间的接触面积，加装保护罩对可能产生的拉弧处进行必要保护。风力发电机舱尾端处在与叶片相对应的位置。当雷电出现在机舱的尾端时，就会超出叶片防护区域，可能使机舱内的电气设施和设备被雷击破坏，故而需要在其尾部设置一接闪短杆，再经由引下线和接地装置把雷电流引入地下进行散流，从而起到防雷电的效果。
　　2.2建立孤立避雷塔捕捉雷电保护法
　　该方法是通过在风力机旁建立一座避雷塔拦截雷电实现的风力机保护。在雷雨天气下，当风向变化不大时，避雷塔应建立在迎风侧，且该方法效果显著。在风向变化较大的风场，必须在风力机周围建立2个或多个避雷塔才可以保证保护效果，但是该方法需要消耗大量的材料，投入较大，经济效益较差。另外，该方法比较适合具有几十台风机的风电场，此时一座避雷塔可以保护多台风机，经济效益可以得到提高。

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　　2.3异步发电机组并网技术
　　异步发电机组和同步发电机组相比，其因为风力涡轮机通过传输效率调整负载，故不需要精确的转速实现和系统电压匹配，只要和同步发电机组的转速基本一致即可。故此，其没有十分庞杂的控制设备，而且并网以后与同步发电机组相比，对电网系统冲击小，而且能够保持较为稳定的电压，会有效抑制震荡和步进。但是当人工操作时，可能会出现电压改变，从而使整个系统电压值发生改变。另外，其不能提供无功功率，会导致终端用电客户用电体验，造成电器设备损坏，因此，需要进行无功功率补偿。
　　2.4浪涌保护器的使用
　　浪涌保护器也叫防雷器，是一种为各种仪器仪表、通讯线路、电子设备等提供安全防护的电子装置。它的作用原理是在极短的时间内导通分流，以避免浪涌对回路中仪表线路和设备的损害。风机若被雷电击中，会在机组内部产生很强的电磁场，其通过线缆传输时会产生浪涌性的过电压和过电流。现代风电机组内部，均安装有大量的电子和微电子集成设备，因而电子电器设备和系统很易被超高的浪涌电压损坏，造成巨大的经济损失。为了避免此种情况的出现，就必须使用浪涌保护器。浪涌保护器可以抑制因雷电引起的信号线路间、电源与接地的金属管线之间的高电位差，能够把进入信号传输线和电力线的瞬时过电压控制在其能承受的电压范围内，同时把过大的雷电流泄流到大地，以防止设备和系统遭受破坏。风电机组的防雷应根据GB50343标准规定安装合适的浪涌保护器，一般安装三级浪涌保护器。第一级浪涌保护器安装在塔筒内部的总进出线处，其作用主要是将风电机组遭遇雷击后所产生的几万甚至几十万伏的浪涌电压降低到2500V-3000V，防止超高的浪涌电压损坏风电机组的电子电器设备。第二级浪涌保护器一般安装在分配电源处，主要针对第一级浪涌保护器的剩余电压和区域中受到电磁感应影响的设备进行保护。在第一级电涌保护器对直击雷电的能量进行吸收时，总有部分仍能损坏电子电器设备的能量残存下来且可能损坏电子电器设备，这时，第二级浪涌保护器就能进一步吸收这些能量，将浪涌电压降低到1500-2000V。第三级浪涌保护器安装在塔筒内部的信号控制系统处，主要是对雷电电磁脉冲和经过第二级浪涌保护器的剩余雷击能量加以防护，将剩余浪涌电压降低到不超过1000V，以确保浪涌电压不损坏设备。
　　2.5机舱安装避雷针保护法
　　该方法是通过避雷针捕捉雷电流实现的叶片保护。虽然叶片的长度要比机舱上的避雷针要长，但是避雷针的使用能够有效地减少叶片的损毁程度。机舱上安装的避雷针能够有效地捕捉到一部分雷电，在一定程度上降低了雷电流的大小且降低了叶片遭受雷击的概率。但是在叶片表面受到污染或者盐雾侵蚀之后，叶片表面就相当于半导体材料，此时避雷针的保护效果就会大大降低。另外在叶片与垂直方向夹角为60°时，叶片顶端的高度为机舱和叶片长度一半的和，此时避雷针保护法的效果很显著。因此，通过机舱安装避雷针的方法可以有效地降低风机叶片遭受雷击的损毁。
　　2.6防雷的接地设计
　　风机的雷击故障中，电子电器设备的损坏占70%以上，而多数电子电器的损坏是因为雷电流进入接地系统时，由于接地电阻过高造成地电位抬升所引起。当风电机组被雷电击中时，接地装置需要将雷电流快速安全的引入大地，而此时，接地电阻的数值越小，则由雷电产生的过电压就越低，雷电流进入大地的速度越快，高电压持续的时间也越短，其接触电压和跨步电压也比较小，从而有利于人员和设备的安全，接地系统的设计必须有总体性。风机的接地装置一般是在塔筒基础周围设置环形接地装置，这是因为风机位的底部结构是一个由金属材料构成的大型笼体，若在其周边设置环形金属装置，等于在风机位周围设置了一个等电位面，既可以防止瞬间过电压造成的风机电子电器设备的损坏，还可以防止跨步电压造成的人员伤害。
　　结语
　　风电并网是必然趋势，是我国绿色可持续发展的根本保证。其中，关键点是如何降低风力发电具有的谐波、闪变现象，使其具有的反调峰特性降低。而最终的指向都是智能电网建设，因为其从微观上可以确保风电并网更加顺利，宏观上可以实现全国电网联网缓解窝电，使风电电能迅速支援缺电地区，从而增加了洁能发电价值和效率。
　　参考文献：
　　[1]黄金鹏.大功率风力发电机组叶片的雷击分析与防雷系统设计[J].风能，2012（5）：80-83.
　　[2]陶世祺，张小青，王耀武，等.直接雷击时风电机组的暂态响应分析[J].太阳能学报，2017，38（10）：2675-2682．