李亚峰
新疆华电苇湖梁新能源有限公司 新疆乌鲁木齐 830000
摘要：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；防雷设计；发电机组；机组防雷
1雷电对风力发电机的危害
雷电是直接产生于大气中的，在整个大气环境中含有大量的气体离子，包括正离子和负离子。这些正、负离子在大气中携带微弱的导电性，进而造成大气电场、电流以及雷电的产生。一般雷电现象会比较频繁地发生在较高建筑物、沿海及山地区域。风力发电机为了更多地利用风能，也是布置在山地和海边这些比较空旷的地区，因此风力发电机容易受到雷电的袭击。风力发电机由于需要借助风力获得能源，因此需要建设于比较空旷的区域，并且这一设备本身携带的叶片更需要在比较高的空中才可以，因此也比较容易受到雷电的袭击。当受到雷电的袭击时，设备中的叶片是主要的受袭击区域，雷电损害的部位也主要是在叶片的尖顶部位，很少会使整个叶片都发生损坏。但是风力发电设备的整个花费都非常高，尤其是叶片这部分更是需要较高的成本费用。当受到雷电袭击时，就需要及时维修或者更换新的设备，但是不论是维修还是更换都需要花费一定的费用。当叶片受到雷电的袭击时，会释放出大量的能量，进而导致整个叶片的温度比较高，尤其是叶尖部分的温度会急剧升高，雷电伴随的雨水受到温度的影响，也会产生气化膨胀的现象，进而产生较大的机械力，使得叶尖的结构破损。当受到较为严重的雷电袭击时，整个叶片都会损坏。由于这一袭击造成的不良影响非常大，因此必须做好风力发电设备的防雷电技术，并且随着科技的进步不断更新新的使用设备和使用技术，以维护电力系统的正常运行，为人们的正常用电提供保障。
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。
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。
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。 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。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
风电场是一个整体，其防雷设计既需要考虑每个机组内部的防雷，如桨叶、机舱、轮毂及电子电气系统的防雷，又要有总体设计思路，这样才能有更好的经济效益和防雷效果，另外还应该认识到科技是不断发展的，只有把新的研究成果和技术不断的应用到风电机组的防雷设计中，才能更有效地减少雷电造成的危害和损失，实现风力发电的可持续发展。
参考文献：
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