浅谈高山风力发电机组防雷技术措施

浅谈高山风力发电机组防雷技术措施

李 榕

国家电投集团广西电力有限公司桂林分公司，广西 桂林 541199

摘要:风能作为一种清洁的可再生能源是巨大的，是地球上水力发电总量的10倍。由于风电机通常位于空旷地区，雷击已经成为风力发电机组的一场灾难。分析了高山风力发电机组防雷技术措施。

关键词：风力发电；机组；防雷设计；雷电灾害；高山

由于雷电的随机性，不可能完全避免雷电对风力机的影响。在这方面，应在设计在制造和安装过程中，应采取有效的防雷措施，尽量减少雷电灾害造成的损害。

一、对风电机组雷电防护的认识

1.雷电对风电机组造成损害的方法和后果。风电机组分布在广阔的平原、丘陵和沿海地区。大型风机的高度可达60至70米(车轮高度及车轮半径)，容易受到雷击。风电机机是整个风电场的重要设备。在雷击(特别是发电机叶片和部件)的情况下，可能会发生风车叶片破裂、电气绝缘破裂、自动控制和通信设备损坏的情况。因此，雷击造成的灾害是一个严重的问题，威胁着风电机的安全和经济运行。

2.划定防雷保护区。(1)LPZOA雷电防护区。该区域内的所有物体都可能受到直接雷击，雷击产生的电磁场可以自由传播而不减弱。(2)LPZOB电保护区。该区域内的各种物体不得直接被雷击。然而，在没有保护装置的情况下，雷电产生的电磁场也可以自由传播而不衰减。

二、风力发电机组雷击特性

1.雷击部位。风力发电机组一般建在沿海、高山等地，加上风机建筑结构特殊，易造成不同部位各种情况的雷击现象。根据有关调查数据和利用滚球法进行研究，风力发电机组主要遭受雷击的部位有：桨叶，风向杆、电气系统，控制系统（轴承、机舱），发电机。

2. 分析雷击概率。根据国外相关研究资料统计，被雷击损坏的风机各部件雷击率分别为：叶片（15%-20%）、电气系统（15%-25%）、控制系统（40%-50%）和发电机（5%）。从图1的几何角度看，当机组高度和叶片长度增加时，沿机组滚球获得的空间雷电面也会扩大和增大，从而增加机组遭受雷击的概率。当叶片处于不同的空间位置时，机组的空间闪电面也会发生变化。结果表明：单元高度和叶片长度与雷击概率成正比，叶片倾角对雷击概率有明显影响。根据国外的相关实验数据，当一个叶片在正上方滚动，另两个叶片刚好在两侧时，雷击的概率最高。图1所示为叶片顶部的一个叶片，通过左右叶片的最外点与地面上的两点相切，并沿叶片的滚动方向形成闪电面。

3.雷电损坏机制。(1)雷电路径失效机理。当雷电流进入机组时，部分雷电流沿引线流经轴承和机舱，进入塔身筒顶部。最后，塔或特殊引线到地面。在这个过程中，会出现热效应、机械效应或地电位升高、步进电压和接触电压。在放电的瞬态过程,由于雷电流的高梯度,雷电流将产生一个强大的破裂周围电磁场发生器通过路径,将干扰磁场发生器,电源线,信号,网络线或控制系统,损坏电气设备,严重影响风力发电机的安全运行。(2)雷电对桨叶的伤害机理。叶片中使用的材料具有很高的电阻率。材料本身在正常情况下不容易导电，但在强雷击电流的作用下可以产生导电路径。当叶片被闪电击中时，闪电释放的巨大能量使叶片结构内部温度急剧上升，分解气体在高温下膨胀。当温度上升到叶片材料的熔点时，避雷器会形成孔洞，压力上升也会造成爆裂破坏。(3)雷电对轴承的破坏机理。雷电电流对轴承的损伤效应与雷电电流的传导路径密切相关。一个是追踪由辊之间的联系和轴承的负荷区环周长,另一个是轨道由辊之间的短暂间歇电弧击穿和环周长无载带的关系。沿途的闪电效应会对设备造成各种各样的破坏。

三、机组防雷设计

1.接地系统。接地是雷击时保证发电机组安全运行的必要条件。风力发电机一般分布在大面积的土地上，土地的电阻率通常很高。因此，在防雷设计中，接地部分不能按照电气设备的一般接地方式进行。在风力涡轮机建设之前，附近会布置一些小型的接地网。单地网不能满足对地电阻的要求。解决方法是将所有的接地网连接在一起，降低风电场的接地电阻。也可在接地网之间敷设金属导线，以减少风力涡轮机遇雷击时风电场的地电势，从而大大降低变压器受雷击的危险。

2.防雷叶片设计。由于闪电释放的巨大能量，叶片的温度会急剧上升。分解后的气体在高温下膨胀，压力瞬间上升，造成爆炸破坏。因此，需要在每个叶片顶部设计安装电子设备专用的电涌保护器(SPD)，以实现设备与叶片之间的高绝缘连接。接收闪电电流以避免雷击。同时，应加强避雷分流和离线屏蔽措施，尽快将雷击电流释放到地面，有效避免直雷对叶片的影响，减少雷击感应对电子设备的影响。叶片式避雷器的设计和安装必须符合GB 50057《建筑物防雷设计规范》的要求。

3.机舱防雷设计。叶片采用的直雷防护措施对机舱直雷防护也很有帮助。在此基础上，在机舱后部安装避雷针，避雷针与机架紧密相连，防雷效果更好。如果叶片未采取适当的防雷措施或防雷设备损坏，应在机舱两端安装避雷针。目前，发动机室大多由金属制成。建议机房连接低速轴承座和发电机轴承座，以达到良好的防雷效果。机舱外的环境通常非常恶劣，被闪电击中的概率很高。因此，机舱外的传感器应具有防雷功能。根据传感器的高度安装不同高度的避雷针，铜芯电缆连接到机舱的电位母线上。

4.电子系统防雷设计。风力发电机等电子系统由发电机、配电变压器和通信接口组成。其中，配电变压器主要起到供电的作用。变压器防雷设计不仅能有效防止变压器损坏，还能防止电流传导到发电机组。保护措施:变压器两侧可安装避雷器。高压侧安装三个通用阀式避雷器，低压侧安装三个氧化锌避雷器。

雷电电磁脉冲保护。屏蔽层反射、衰减和引导雷电电流产生的电磁脉冲，防止雷电电流进入风力机，从而保护设备或电路的原理。这里，采用金属发动机房或发动机房盖，金属塔或混凝土塔管的钢制形成法拉第笼，这样对发动机房和塔内部起到了主要的屏蔽作用;单位设备全金属外壳被包裹在一行,和设备进出口信号和电源线屏蔽层的进出口,及设备的金属外壳良好的电接触二级屏蔽效应,另一个请求球迷保护区两端至少电缆屏蔽层的接地和防雷由单位接口;低频干扰严重时，应将风机保护区内电缆的屏蔽层接地。屏蔽电缆可采用金属管或双屏蔽电缆来保护雷电电磁脉冲。

6.发电机防雷设计。当发电机被闪电击中时，闪电电流会破坏沿电力线、信号线和网络线路的设备。应使用电涌保护器来限制和释放雷电电流，以产生瞬态过电压和电涌电流。一般安装在防雷区前端与防护设备的交界处。电源线的电涌保护器应能承受预期通过的雷电电流，并能通过电涌电压保护等级，扑灭工频连续电流。与电信、信号网络连接的浪涌保护器的上、过流保护等级应低于被保护电子设备的电压保护等级。其他安装要求及性能指标按GB/T21431执行。发电机的防雷装置由三个变阻器组成。用变阻器M1和M2抑制共模过电压，用M3抑制差模电压。然而，用这种方法建立的保护电路是暂时的，只能抑制一次。在实际施工中，由于自然环境变化大，条件恶劣，通常需要设置多级保护回路。

近年来，雷击引起的叶片损坏、机组燃烧、电子控制系统崩溃等现象在世界上十分常见。雷击会对发电机组造成很大损害，维护和更换成本也很高。因此，风力机防雷是一项综合性工程，应引起重视。

参考文献：

［1］王健．风力发电机组雷电防护工程案例分析［J］．气象研究与应用，2018，34（z1）：164－165．

［2］谭绍万．广西北流市风电场风能资源分析［J］．气象研究与应用，2018，34（3）：47－50．

［3］聂穗蔚．风电场雷电防御的特殊性及应对措施［J］．广东气象，2018，35（2）：52－55．