摘要：风力发电是为人类开发利用的,属于可再生的、绿色环保的自然资源。由于风力发电机组处于自然环境中，其设备容易被雷电击中导致发电机组受到破坏。本文根据雷电的特征及其对风力发电机组的危害进行分析，并对对风力发电机组的防雷措施进行了研究。
关键词：雷电特征；风力发电机组；危害；防雷保护措施
引言
风力发电是一种绿色能源，在当前社会环境和自然环境条件相对恶劣的情况下，受到国家和地方的大力支持，风力发电是一种天然的绿色环保资源，因此，我国风力发电能够得到迅猛的发展。由于风力发电的工作环境一般都暴露在室外大自然环境中，风力发电机组完全暴露在地面上，高耸突出，大部分风力发电机组分散安置在旷野、山顶等风能资源良好的复杂环境中，因此，它进一步增加了自然灾害对它们的影响。雷击造成的破坏是导致风力发电机组损坏的最重要因素。雷击造成的损害不仅需要高昂的维护费用，而且会造成巨大的发电损失。随着科学技术的不断进步，风力发电机组单机容量越来越大，轮毂高度和叶轮直径不断增大，吸收的能量也越来越多，因此遭受雷击的风险也越来越大。所以，必须掌握风力发电机组的防雷保护措施，提高风电资源的有效利用率。
一、雷电的特征及危害
1.1雷电的特征
雷电是由各种大气环境中的粉尘、冰晶等物质在大气中的剧烈摩擦和云层间的切割磁力线,在云层的上下两个部分形成带正电荷和负电荷的带电中心。如果雷电中心之间的空气被电场击穿,就可能会直接产生电磁放电。雷电的最大冲击力和电流一般可达数万、数十万安培。同时,雷电冲击持续时间短,电流变化波动梯度大,冲击电压高。若发生云地放电,带有负电荷的一个云层直接靠近地面,地面上有风场的突出物和金属等被云层感应到正电荷,当云层与靠近地面之间的负荷电位差达到一定值的程度时,就可能会猛烈的对地放电。
1.2雷电对风力发电机组的危害
一般雷电对电气设备的危害途径是通过直击雷、雷电波入侵、雷电感应和过电压等几方面产生的。风力发电机组主要位于较为开阔、风能资源较好的地带,整个大型风力发电机组通常是完全暴露在直击雷的严重威胁下,被雷击到的物体概率与该物体高度的一个平方值大小成正比。风力发电机的大型叶片的最高点通常达89-117米,该部位叶片受风或雷击的发生概率通常极高。所以风力发电机的防雷环境要比发电机组的环境更加恶劣。同时风机内部的高集成电子、电气设备，包括马达、变频器、传感器和总线系统等多种电子集成元器件都在一个较小大风区域内，如果发生雷电电涌则会对机组造成严重危害。一旦在受到了雷击,可能还会发生发电机组叶片严重爆裂、通信设备元件严重烧毁等其他严重后果,不仅可能会直接导致重大发电损失,还要负担一些受损的元器件重新拆除和更新维修费用,造成巨大的经济损失。
二、雷电防护技术
根据研究调查统计，雷电对风力发电机组损害的方式主要有：直击雷损害、雷电电磁脉冲损害、雷电感应损害三种，损害概率大约为直击雷15％、雷电电磁脉冲65％、雷电感应20％。
2.1 直击雷防护
2.1.1 桨叶直击雷防护
桨叶防雷的目的是将雷电电流从桨叶雷电点安全地传导到接地轮毂，避免叶片内部形成雷电电弧。可以采用三种方法:第一，通过在叶片内外表面安装金属导体，将雷击点的雷电电流传递到叶片根部。这种简单的防雷装置相对容易实现，但只适用于长度不超过20米的叶片。第二，如果桨叶长度超过20米，可在表面镶嵌金属网带或在桨叶上设置多个接闪器。但是接闪器面积相对整个桨叶面积相比比例小，很难保证接闪器是桨叶上唯一的雷击点。第三，在叶片表面使用导电材料，使叶片本身能够将所有的雷电电流传输到叶片根部。这种防雷装置适用于航空工业，在机翼表面添加导电材料，以减少雷电对机翼造成的损伤。内部装有金属导线引导雷电电流，利用桨叶内部控制线，兼作引导雷电流的作用。
2.1.2 轴承直击雷防护
轴承的防雷应达到从桨叶经专门设计的引下线引至机仓专门设计的引下线部分，防止雷电沿轴心穿过轴承上的滚子和套圈，进入仓库内部，对设备造成危害。
在轴承前端可设置一条与其并行的雷电通道，对输入的雷电电流实施旁路分流，使雷电电流尽可能少地流过轴承。可使用设置两组导电碳刷、旁路分流和阻断隔离相结合的办法。
2.1.3 机舱雷电防护
机舱防雷目的是要保护机舱尾部风速风向仪和实现机舱内部设备之间电位相等。可以在机舱尾部单独设立接闪杆或在风速风向仪上面直接安装接闪杆保护风速风向仪，机舱内除了需要绝缘隔离的设备外，其余应与机舱底板做电气连接，以实现等电位。
2.1.4 塔身雷电防护
塔身可作为引下线，将来自轴承和机舱的雷击电流引入塔身或直接将被雷击的雷击电流引入塔身底座防雷地网。可利用金属塔筒、钢筋混凝土塔筒的钢筋网或金属爬梯上下连接做为自然引下线，也可专门设计两条引下线连接轴承，机舱将雷击电流引入防雷接地网。
2.2 雷电电磁脉冲防护
利用雷电屏蔽体反射、衰减并引导雷电电流产生的电磁脉冲的工作原理,使其不能直接进入风力发电机组内以实现保护设备或线路的防护目的。这里我们可用金属机舱或发机舱外盖、金属塔筒或钢筋混凝土塔筒的钢筋连接形成法拉第笼,使发电机舱和塔筒之间起到初级防护屏蔽作用;发电机组内连续完整的设备金属外壳将其完全封装起来并使进出设备所有信号线和电源线的屏蔽层在其设备进出口处,与设备的所有金属外壳之间保持良好的次级屏蔽作用;此外,求风力发电机组防护区内带有电缆的屏蔽层,至少应在其两端以及其所连接穿过的机组防雷界面处作接地;当低频防雷干扰严重时,可将带有屏蔽层的电缆直接穿过金属管或双层屏蔽电缆,以达到对雷电电磁脉冲保护的屏蔽效果。
2.3 等电位连接防护
塔顶机舱内所有设备之间均应进行等电位防护连接。每台设备的金属外壳、电缆屏蔽保护层、舱盖外部的风向和风速仪支撑杆等主要金属构件与整个机舱金属底板之间必须保持有可靠的金属电气电缆连接,并必须保持金属底板与机舱塔筒之间可靠的电气电缆连接。
2.4 电涌保护器（SPD）防护
当风力发电机组遭到雷击时，雷击电流会破坏电力线路、信号线和网络线沿线的设备。电涌保护器应使用对雷电电流进行限制和释放，产生瞬时过电压和电涌电流。一般安装在防雷区与防护设备前端的交界处。电源线的SPD应能承受预期通过其的雷击电流，并在通过电涌时具有电压保护水平，有熄灭工频连续电流的能力。连接于电信和信号网络SPD其电压保护水平UP和通过电流IP应低于被保护的电子设备的而受水平。其它安装规定和性能指标要求均应符合GB/T21431-2015的规定。
2.5 防雷接地
风力发电机组内的防雷供电接地装置应充分满足快速扩散电流和均压功能。快速电流分散防止塔身或引下线传导过来的雷电电流,防止地面的电位电压升高和过电压引起接触电压造成破坏和阶跃电压造成破坏。以电阻、土壤电阻率和接地网形状为参数,验证接地网是否满足规范要求。在施工中它还可选择采用一种或多种敷设方式:垂直接地体、水平接地体和塔基础接地体,形成环形或多个环形状的接地体。除了可以采用塔基础钢筋作为自然专用接地体外,还不能可以考虑增加人工接地体。同时,设计还要求应根据不同地质环境条件综合考虑确定地网的连续使用寿命,并根据经济基础情况选择合适的接地体材料。
结语
风力发电机组如果长期遭受突然雷击受到严重损害,其可能造成的直接经济损失多且数额巨大,为了有效推进风力发电能资源的进一步健康发展,一定要切实做好各项防雷防护措施。文章根据相关科研成果数据资料从桨叶、轴承、机仓、塔身等部位分析风电机组各个供电部位的直接雷电防护技术,给出用于风力发电机组各个部位的直击雷防护、雷电电磁脉冲防护等各个电位防护、SPD防护、防雷接地具体方法和技术要求。
参考文献
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[2]李高峰, 雷启龙, 黄瑞芳. 雷击对风力发电机组的影响及改进措施[J]. 中国科技博览, 2010(34):71-71.
作者简介：陈超（1986-）汉族，湖南省邵阳市新邵县人，本科学历，中级工程师，从事研究方向，雷电防御，防雷工程检测等工作。