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风力发电厂防雷技术研究李沿君

发表时间：2020/10/20 来源：《基层建设》2020年第19期作者：李沿君

[导读] 摘要：科技的进步，促进人们对能源需求的增多。风能是一种可持续的清洁能源，为了能够更好地利用风能，通常将风电机组安装在山坡以及沙漠等风力较大的开阔位置，可是风力叶片相对较大，其长度可以达200m以上，同时风电机组周围不能设置高大的物体，由此可以看出，风力机组往往成为一个凸显的制高点，从而容易被雷电击中，假如防雷措施不到位，往往造成严重的安全事故。

        国华（通辽）风电有限公司内蒙古通辽 028000
        摘要：科技的进步，促进人们对能源需求的增多。风能是一种可持续的清洁能源，为了能够更好地利用风能，通常将风电机组安装在山坡以及沙漠等风力较大的开阔位置，可是风力叶片相对较大，其长度可以达200m以上，同时风电机组周围不能设置高大的物体，由此可以看出，风力机组往往成为一个凸显的制高点，从而容易被雷电击中，假如防雷措施不到位，往往造成严重的安全事故。我国气象研究院在对302个风电机组雷击时间进行统计后发现，电子电气控制系统损坏率可以达到71％，而相应的叶片损坏占28％。假如风机遭到雷击损坏之后，不仅需要花费大量的维修给用，而且影响发电，从而带来巨大的经济损失。由此可以看出，对整个发电事业的发展带来危害。本文就风力发电厂防雷技术展开探讨。
        关键词：风力发电；叶片；接闪；雷电；防雷
        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。
        1 雷电的危害
        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 浪涌保护器的使用
        浪涌保护装置是一种电子装置，包括各种形式的仪表、通信线路以及相应的电子设备等，这样能够避免浪涌对仪器线路造成损坏。假如风机电机组被雷击中，那么在其内部将会产生较大的磁场，在电缆中传递时将会出现过大的浪涌性过电压以及相应的过电流。对于风电机组内部装置而言，都设置了相应的电子以及微电子装置，由此可以看出浪涌能够击穿电子设备，从而造成巨大的经济损失。因此，安装浪涌保护装置能够有效地避免不必要的经济损失。

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通常，浪涌保护器能够有效地降低电位差，把输入电位与电力线之间产生的瞬时高压控制在一定的范围内，与此同时能够将过大的雷电传输给大地，从而能够有效地避免设备以及相应的系统遭到破坏。在安装浪涌保护器时必须要按照GB—50343标准执行，其中需要安装三级浪涌保护器，如下所示：第一级浪涌保护器通常设置在塔筒内部的总进线位置，其可以在雷击之后将上万伏的浪涌电压降到2500-3000V的范围内，能够有效地防止塔筒内的电子设备受到损害。通常可以把二级浪涌保护装置设置在分配电源位置，其工作需要承担第一级浪涌保护器剩下的电压。由于第一级浪涌保护器吸收雷击电能之后，会出现一部分溢出电能，并且对相应的电子设备带来危害，因此需要设置二级浪涌保护装置吸收相应的能量，从而可以把浪涌电压降至1500～2000V的范围内。第三级浪涌保护装置可以设置在塔筒内，其可以对雷击电脉冲以及相应的浪涌保护器剩余的电量进行吸收，这样能够把剩余浪涌电压降低1000V以下，从而能够有效地保护浪涌电压设备。
        2.3 浪涌保护器的使用
        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。
        3 风电机组防雷技术新思路
        3.1 风电场进行整体防雷
        对于风电场总体防雷而言，通常借助雷击电气几何参数与电场强度特点，可以将风电场作为一个整体，充分考虑工况环境诸如地形、地势以及相应的气象条件等，同时需要充分考虑经济性。对于容易被雷击的位置，可以设置多个独立的接闪针塔。假如雷电接近风电场时，这时塔顶设置的独立接闪针，可以使雷电发生在接闪针塔上，因此可以有效地使电气系统免遭破坏。
        3.2 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。
        3.3 接地体的选择
        现在由于风机的发电量逐渐增大，风机机组的投入也开始加大，因此需要风机机组都具备一定的使用寿命。假如由于接地体出现过度的腐蚀，那么将会严重阻碍雷电泄流过程，这样会严重损害风机中的电子系统。由此可以看出，生产厂家必须重视接地体材质，并且充分考虑土壤中电解质的情况。
        4 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：
        [1]刘健.大型风机叶片雷击特性分析[D].南京：南京信息工程大学，2018.
        [2]施广全，张义军，陈绍东，等.风力发电机组防雷技术进展综述.电网技术[J].2019，43（7）：2477-2487.
        [3]陶世祺，张小青，耀武，等.考虑后续雷击的风电机组雷电暂态研究[J].中国电机工程学报，2018，38（18）：5326-5334．