白逢兵
华能酒泉风电有限责任公司甘肃酒泉735000
摘要：近年来，随着节能减排理念的进一步倡导，风力发电获得了进一步的发展，在节约社会能源资源、满足人们的生产和生活等方面发挥了重要作用。以工作经验为基础，结合有关文献记录与行业发展趋势，以风力发电系统为中心展开论述，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
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。因此，必须做好发电机组的发电工作。
一、雷电的来源及雷电对风力发电机的危害
1.雷电的来源
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。
2.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。
二、风电机组的防雷设计
1.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。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到1000Ｖ以下，从而能够有效地保护浪涌电压设备。
2.叶片、机航、塔架防雷
电力发电设备在外部的主要构件为叶片、塔架以及机航，做好这些构件的防雷设施尤为重要。受到雷电袭击时，叶片会因温度的升高、内部气体膨胀而产生爆炸，严重时会造成整个设备的烧毁。为了避免这一现象，可以在叶尖顶部设置排水管，即可以将其受到雷击后内部产生的湿气排出，避免了气体的膨胀。此外，叶片本身是具有导电性的装置，但是并不是本身的导电性越小而被雷电袭击的可能性就越小，雷电对于整个设备的损害取决于叶片的形式。因此，可以在叶尖顶部安装接闪器。这一设备具有导电的功能，可以在叶片受到袭击时捕捉闪电，然后将这些雷电引入大地，避免了雷电直接对叶片造成的损害。此外，在机舱的顶部安装避雷针是避免风速计以及风标被损坏的重要措施，通过专门设置的引下线将机舱以及塔顶做好连接，雷击发生时并不会被电流损坏，从而可以将雷电击中的电流顺利地引入到大地。
3.接地网
在我们的日常生活中，接地网是最常见的防雷电装置，其工作原理是直接和大地相连接，将引导来的雷电输送到安装在地下的设备中，其中它能否将受到袭击的雷电安全地引导到地下主要取决于接地性能的好坏。由于风力发电系统本身的原因，一般在风力发电的区域，相比于其他地方，这里的土壤都具有很高的电阻率，分散性也较其他地方强，所以通过使用降阻剂或者更换土壤来解决风力发电的雷击问题都不是可行的办法。因此，只能选择在离塔架0.5m处搭建一个环形的铜质导体与塔架相连接以达到防雷的目的。这一导体的各种详细参数可根据不同的情况而定。需要注意的是垂直接地极的选用，最理想的是材质是铜包钢，数量要根据实际情况调整，一般情况下都是12根左右为宜，在焊接于水平地极上时要注意分布均匀。
4.风电机组的等电位连接
为了防止风电机组内部的设备和系统间在雷击时出现危险的电位差，在桨叶与轮毂间，轮毂与机舱间、机舱和塔筒间、尾舵和水平轴间、机舱内和塔筒底部进行等电位连接，以保证操作人员和线路及设备的安全。桨叶与轮毂间，轮毂与机舱间、机舱和塔筒间、尾舵和水平轴间的等电位连接，是用螺栓连接法兰、其他部分采用焊接和铆接的方式进行连接，最终将上述各部件连成一个电气整体，以使雷电流快速的通过引下装置进入风机的接地系统。连接时，所有的过度电阻不能超过0.03Ω。
结束语
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，在设计防雷系统时，只有不断引入新的科技成果，才可以发挥更好的防雷效果，从而，为保证电力系统的正常运行以及节能减排奠定了基础，面对其容易受到雷电袭击的危害，相关部门要做好防雷电设备的研究。
参考文献
［1］郭鸿铭．风力发电场电气系统设计与应用［D］．吉林:吉林建筑大学，2018．
［2］樊娅男．风力发电防雷检测要点［J］．科技风，2018(25):177．
［3］樊娅男.风力发电防雷检测要点[J].科技风，2018，（25）：177.
［4］郭鸿铭.风力发电场电气系统设计与应用[D].吉林：吉林建筑大学，2018.