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摘要：在风力归电机组运行过程中，会出现遭受雷击的现象，雷击后会通过风力发电机的主轴承进行雷电产生电流的泄散，轴承会受到一定程度的损伤，也会对发电机产生危害。因此，加强对主轴承的雷电防护是风力电力场的重要工作。基于此，本文首先介绍了雷电的破坏形式，阐述了雷电防护设计的基本原则，并对风力发电力机主轴承的防雷保护进行分析，进而提出两种风力发电机主轴承的雷电防护方案，希望可保障风力发电机组的安全与稳定运行。
关键词：风电发电机；主轴承；雷电防护
经过实践分析发现，雷击是导致风电机组轴承出现损坏的直接原因。由于受到雷击的影响，风电机组的叶片以及主轴承等结构都易受到严重的损坏，并且这些结构的维修与更换所需消耗的成本较高，采取有效的措施避免风电机组遭受雷击至关重要。因此，本文将针对风力发电机组的主轴承进行有效的雷电防护措施的探讨。
一、雷电的破坏形式
1、雷电直接击中设备而使之出现损坏；
2、雷电脉冲顺着信号线或电源线侵入其所连接着的设备，最终导致设备遭到损害；
3、设备接地体在累计时产生瞬间高电位形成电位反击而损坏；
4、设备因安装方法或安装位置不当，受雷电在空间分布的电场、磁场影响而损坏。
二、雷电防护设计的基本原则
1、采取适合的防雷方法，应用先进的技术及设备，确保系统得以正常工作；
2、防雷设计时要对投资的合理性进行详细分析，确保防护重点明确，并提高防护工作的全面性；
3、确保防雷系统的使用寿命较长且具有合理性；
4、应根据国家标准及相应规范进行防雷设计，以确保系统可得到良好的维护。
三、主轴承的防雷保护分析
在雷击现象发生时，主轴承上会通过强大的雷电流，这会使轴承接触上出现明显的灼蚀点，但因轴承尺寸较大，雷电流的密度并不高，因此所产生的损伤对风电机组运行产生的影响并不大，但会使风电机组出现噪音或振动现象，进而会减少轴承的使用期限。
1、有绝缘垫层的雷电防护
部分轴承设计时加装了绝缘垫层，主轴上的防雷碳刷会将雷电流传导至塔筒中，进而可有效减轻轴承受到的损伤。由于防雷碳刷是与轴承并联连接的，因此其所承载的雷电流较小，仍会有大量电流通过主轴承进行泄流，使得轴承的潜在安全隐患仍然存在。
2、偏航轴承的雷电防护
偏航轴承的外围设计了导电通道，如因其设计不合理而无法发挥出其导电性能时，应单独进行雷电流通路的设计。
通过分析这两种雷电防护轴承发现，防雷保护措施有两个设计方向，一是可采用绝缘层对轴承与机架之间的电流通路进行切断，二是在主轴与机架之间建立通畅的电流通道。因此，在对主轴承进行雷电防护时应从这两方面着手。
四、风力发电机主轴承防雷保护措施
1、主轴承绝缘的雷电防护方案
（1）绝缘轴承防雷措施
应用绝缘轴承作为电机轴承可对流通于轴承上的电流进行阻隔，能够提高对轴承的保护作用，可使电流的流通通路被切断，减少对轴承产生的损伤，以此延长轴承的使用寿命。然而与普通轴承相比，绝缘轴承的价值是其3倍左右，应用绝缘轴承会提高风电发电机组的运行成本。
由于绝缘轴承的价值昂贵，因此其在风电行业中的应用率相对较低。
（2）轴承与轴承座绝缘防雷措施
可将绝缘材料涂刷或包裹于端盖及轴承座上，进而制作出绝缘性能良好的端盖及轴承座，以之取代绝缘轴承，减少雷电防护成本，加快生产效率，在电机轴承绝缘时此方法较为常用，常用的绝缘材料有两种，一是聚酰亚胺薄膜，二是无纬带。此防雷措施应用时，要对内外套的配合尺寸进行合理选择，以免在制造过程中出现内外套的相对运动，或出现绝缘性能无法发挥的情况。在风电机组主轴承的使用工况下，产生质量问题的代价往往使此项工作得不偿失，并且在轴承座绝缘后，端盖绝缘也难以实现，方案可参考，但难以在工程实践中应用。
（3）门式轴承座绝缘防雷措施
门式轴承座绝缘方案是利用橡胶减震元件的绝缘性能达到轴承座与机架的绝缘效果。该方案的绝缘效果可靠，不足之处是设计成本较高，并且应用时存在如下问题：
1）此措施应用时需使用减震元件，这会对传动链的动态特性产生影响，因此必须对主传动链进行重新设计与复核。
2）受到主轴方向产生的纵向荷载力影响，轴承座的位置会出现变化，因此易出现轴向力向齿轮箱传递的现象。
3）垂直于下图截面方向上的限位不足，在风电机组Fy方向的载荷作用下，可能导致轴承座的偏移；
4）如果紧固件的压紧力存在差异，会使主轴的轴心出现位移现象，进而使齿轮箱出现冗余荷载。
（4）紧固件绝缘防雷措施
紧固件绝缘方案源于小紧固件连接的零件间绝缘方案，通过绝缘垫片、绝缘套、绝缘底板将被绝缘零件与其紧固件、安装本体进行隔绝，从而可以切断电流路径。该方案的难点主要在绝缘底板应同时满足下面几个要求：足够的耐压强度，避免被紧固件的压力压溃；应该有接近铸铁的弹性模量，从而可以减少对主传动链动态特性的影响；上下表面应与铸铁间有足够的摩擦系数，从而保证轴承座的定位靠静摩擦力而非紧固件的剪切。在绝缘垫片方面，耐压强度要求更高，因为单个螺栓的预紧力均是通过绝缘垫片传递到轴承座。另外，绝缘垫片同样也有弹性、摩擦两方面的要求。此方案对绝缘垫片和绝缘底板两者材料的要求较高，需要相应的部件供应商选择更为合乎要求的材料。这也是相对更为合理和易于实现的经济方案，且尚需进一步深入分析。
2、建立电流通道的雷电防护方案
前面的防雷设计中我们可以得到，若想对主轴承进行防雷保护，则应该建立一个阻抗要低于轴承阻抗的雷电流通道，从而可以将电流分流，而不再经过主轴承滚子接触点，达到保护轴承的目的。经过调研，目前国内外风电行业对主轴承的保护主要通过此方案来解决，因为此方案更为经济和可靠。防雷通道的建立主要是建立主轴和主机架之间直接的导体连接，通过选用合理的滑环材料（主要是防雷碳刷），将旋转的主轴与固定的主机架之间建立稳定的电流导体连接。
目前，风电机组大多采用主轴风轮锁盘与主机架之间设置几个防雷碳刷及放电间隙建立电流通道，但由于碳刷及连接导线的阻抗较大，难以达到完全保护轴承的目的。根据该问题的存在，应选用阻抗更小的防雷碳刷和截面更大的导线，保证该通道阻抗足够小以达到保护轴承的效果，并可以再轴承座两侧同样安装数组防雷碳刷，通过碳刷的并联来降低该通道的阻抗。
结论：
应用主轴承座绝缘防雷措施可对主轴承起到良好的防雷效果，同时，防雷通道设计方案也可有效避免主轴承遭到雷击而产生严重损伤。然而立足于经济角度、结合当前风电行业的常用防雷保护措施分析发现，最佳的风力发电机主轴承防雷保护措施是建立通畅度较高且阻抗相对较低的雷电流通道，可有效延长主轴承的使用寿命。
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