张健
大唐向阳风电有限公司 吉林长春 130012
摘要：随着经济和科技水平的快速发展，风力发电组一般安装在地理和地质环境较差的位置，且高耸突出，容易受到雷电的损坏。安装风机接地装置是降低雷击风险、保护人身安全、稳定风机对地电位、防止风机控制和数据采集系统产生干扰，保证风机系统正常运行的接地一体化装置。当前国内风力发电机组防雷接地装置施工质量控制在技术上主要采用接地系统防雷、机组叶片防雷、轴承防雷、机舱防雷、机组中设置电涌保护器等关键技术提高防雷装置的质量，目前这些技术已经非常成熟。除此之外，防雷装置施工质量控制还需要考虑施工地质环境、施工材料及工艺的质量控制。
关键词:风力发电系统;防雷技术
引言
风力发电作为新型节能发电技术，能有效满足我国国民与有关行业对于电力的基本需求。为有效提升风力发电系统在实际运用中的整体效率，防止其遭受雷电袭击，就必须科学拟定防雷预案，及时改进防雷技术。科学运用有关技术手段可以有效降低雷电灾害产生的负面影响，为我国电力系统今后的安全及稳定运行奠定基础。
1雷击概率分析来源
发电机遭受雷击之后，各部位遭受袭击的实际概率差距较大，其中叶片遭受袭击的概率在15%-20%，电气系统遭受袭击的概率在15%-25%，控制系统遭受袭击的概率在40%-50%，发电机遭受袭击的概率最小，只有5%。此外，机组的实际高度及长度同雷击面积为正相关关系，与雷击概率也成正比。与此同时，叶片长度与雷击概率同样是正比关系，当叶片长度变长后，其遭受雷击的概率也会上升。而且，同位于上方的叶片相比，位于两侧的叶片更易遭受雷击。
2雷电损坏机制
2.1雷电途径损坏机制
机组遭受雷电电流袭击之后，部分电流会受引下线引领，传输至地面，而且不会产生任何负面影响与危害。然而，还有部分电流不会流入大地，会集中停留在所经之处，进而形成一个较大、复杂的突变磁场。此磁场会干扰发电机的正常、有序运行，进而导致机组不能常规、稳定运行。
2.2雷电对桨叶的损坏机制
就整个风力发电系统而言，桨叶所处位置最高，会直接裸露于高空中。即使其自身材质较为特殊，在常规情况下不会轻易导电，但如果遭遇强大雷电袭击就会产生多个导电路径，而且还会因为其释放巨大能量，导致叶片的整体温度急剧飙升，如果飙升温度达到叶片原材料熔点值，再加上有关压力作用，就会发生爆裂现象。
2.3雷电对轴承的损坏机制
轴承属于发电机的关键组成部分，极易遭受雷电袭击，如果雷电现象产生在轴承当中，那么此雷电现象多半同轴承内部中的导电路径有关。笔者通过调查得知，雷电流传输至轴承当中时一共有2个方向，一是轴承周围上负载区内部滚子同套圈接触而形成的通路，二是轴承周围上负载区内部滚子同套圈间的短气隙遭受电弧击穿而形成的通路。如此一来，整体流程沿途所经地区都会遭受相应破坏。
3综合防雷措施
3.1直接雷防护
风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。其中叶片作为风力发电机组中位置最高的部件及最易接闪的部位，要做好叶片的防雷措施尤为重要，李天密指出目前对叶片上防雷装置布置问题、泄流问题还没有很完善的解决方案，需进一步研究。叶片上有一层厚厚的绝缘层，面对年度最强的电闪103-104kA雷电流，叶片的完全绝缘并不能降低雷击风险，反而只能增加受损伤的程度，很多情况下雷击的位置在叶尖的背面。为了降低风电机组直接接闪的概率，减少因雷电闪击带来的风险，风力发电机组的防雷设计采取“区域防雷”与“单体防雷”相结合的雷电防护措施进行设计。
区域防雷主要考虑针对风力发电场整个区域进行防雷设计，采用双针保护进行设计。
3.2内部过电压保护技术
因雷电效应产生的过电压对风机内部电气线路或终端设备会造成破坏，因此采取内部过电压保护措施十分必要。可采用在输电线路中安装避雷器的办法或者降低输电杆塔接地电阻的办法。研究人员对风电厂电缆集电系统的过电压变化情况建立了分析模型，结果表明暂态过电压的数值及变化情况与电感性负载有着密切关系。根据雷电击中风机时对风机塔筒电路模拟模型的分析，得到风机塔筒内部感应电场和磁场的分布情况，以此来优化风机机组设备部件的安装区域，尽量将机组内敏感的电气设备和元件安装在雷电电场和磁场分布最弱的区域，以减少雷击对这些敏感电气设备的干扰和破坏。风机遭遇雷击时，箱变的输入和输出端电位差异大，对此可采取电涌保护装置来减弱或避免雷击危害。
3.3屏蔽技术
由于风机机组本身并不是完整的雷击屏蔽体，因此机身上存在的孔洞或缝隙极容易引发风机塔筒和机舱内部的电磁耦合现象，从而导致机舱内部金属回路内形成感应过电流，对机身内部设备造成损坏。对此可采用安装屏蔽层的办法，降低电路传输过程中的电磁感应过电压和过电流，使感应过电压变化由剧烈转变为平缓，降低或避免对机舱内部设备的损坏。
3.4叶片、机航、塔架防雷
就电力发电设备自身而言，外部构件由机航、叶片以及塔架组成，基于以上多种构件做好防雷措施极为重要。雷电袭击发电设备时，叶片会在温度与膨胀气体的作用下发生爆炸，情况严重时可能会烧毁整个设备。为有效防止类似现象发生，可在叶尖的顶部安放排水管，能使雷击后产生的大量湿气顺利排出，防止气体膨胀。除此之外，叶片自身带有导电装置，然而叶片遭受雷击的概率不是由自身导电性决定的，雷电对设备的破坏程度是由叶片形式决定的。所以，还可在叶尖的顶部安放接闪器，此设备具有自身导电功能，能在叶片遭受雷电袭击时迅速捕捉闪电，将雷电有序引入到大地，防止雷电给叶片带来毁灭性打击。与此同时，为防止风速计或是灯标遭受破坏，可在机舱顶部安放避雷针，选择专用引下线把机舱与塔顶连接起来，此时发生雷电灾害时，电流就不会对其进行破坏，而且还能将电流顺利、有序引入至大地。
3.5引下线
防雷引下线和导体具有相同的功能，就是将雷电导入到地下去，进而达到防雷电的目的。这是一种在目前最为常见的防雷技术。因为为了确保安全性，引下线必须和接闪器联通，而且二者还需要与其他的地下装置连接起来，所以，在防雷引下线应用的实际运行中，其过程是比较复杂的。为了达到更好的防雷效果，在选择引下线设计材料时，可以优先选择风电机组叶片的金属网格和电机组叶片的边角材料，同时要注意叶片表面的金属导体是否具有足够大的面积，如果面积不够大，则可能因为不能承受直击雷的影响而导致防雷效果降低。除此之外，为了保护装置的顶部结构，还可以将离散接闪器安装在叶片装置的顶部。
结语
雷电灾害已经逐渐形成了自然界中对于整个风力发电场的风机机组安全以及运行状况危害最大的一种自然灾害。因此做好风力发电机场的雷电防御对风电场的运行维护、管理等有重要的作用。
参考文献
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