淺析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雷電防護(hù)

　　隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)不斷研制成功，隨之機(jī)組的塔架也越來越高，風(fēng)力機(jī)遭受雷擊的幾率也比過去增加了很多，在沿?；蛄謪^(qū)的風(fēng)電場，防雷是不可忽視的，在這些風(fēng)電場盡管也采取了一些防雷措施，但雷擊還是造成了葉片和電控器件的損壞，借鑒經(jīng)驗(yàn)及總結(jié)教訓(xùn)，我們應(yīng)該做到防患于未燃，將防雷工作做的更徹底、更全面，以使雷擊對(duì)風(fēng)機(jī)的損壞降到最小。

　　《大電機(jī)技術(shù)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1971年，由哈爾濱大電機(jī)研究所主辦。本刊是全國中文核心期刊，主要介紹我國大中型水電機(jī)組、火電汽輪發(fā)電機(jī)組、交直流電機(jī)、特種電機(jī)及其輔助設(shè)備等產(chǎn)品的科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、設(shè)計(jì)制造、試驗(yàn)計(jì)算、安裝調(diào)試、監(jiān)測監(jiān)控和故障分析等專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的內(nèi)容。

　　一、引言

　　雷電是自然界中一種常見的放電現(xiàn)象。關(guān)于雷電的產(chǎn)生有多種解釋理論，通常我們認(rèn)為由于大氣中熱空氣上升，與高空冷空氣產(chǎn)生摩擦，從而形成了帶有正負(fù)電荷的小水滴。當(dāng)正負(fù)電荷累積達(dá)到一定的電荷值時(shí)，會(huì)在帶有不同極性的云團(tuán)之間以及云團(tuán)對(duì)地之間形成強(qiáng)大的電場，從而產(chǎn)生云團(tuán)對(duì)云團(tuán)和云團(tuán)對(duì)地的放電過程，這就是通常所說的閃電和響雷。

　　具體來說，冰晶的摩擦、雨滴的破碎、水滴的凍結(jié)、云體的碰撞等均可使云粒子起電。一般云的頂部帶正電，底部帶負(fù)電，兩種極性不同的電荷會(huì)使云的內(nèi)部或云與地之間形成強(qiáng)電場，瞬間劇烈放電爆發(fā)出強(qiáng)大的電火花，也就是我們看到的閃電。在閃電通道中，電流極強(qiáng)，溫度可驟升至2萬攝氏度，氣壓突增，空氣劇烈膨脹，人們便會(huì)聽到爆炸似的聲波振蕩，這就是雷聲。而對(duì)我們生活產(chǎn)生影響的主要是近地的云團(tuán)對(duì)地的放電。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，近地云團(tuán)大多是負(fù)電荷，其場強(qiáng)最大可達(dá)20kV/m。

　　二、雷電的危害

　　自然界每年都有幾百萬次閃電。雷電災(zāi)害是“聯(lián)合國國際減災(zāi)十年”公布的最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一。最新統(tǒng)計(jì)資料表明，雷電造成的損失已經(jīng)上升到自然災(zāi)害的第三位。全球每年因雷擊造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失不計(jì)其數(shù)。雷擊造成的危害主要有5種：

　　(1)直擊雷

　　帶電的云層對(duì)大地上的某一點(diǎn)發(fā)生猛烈的放電現(xiàn)象，稱為直擊雷。它的破壞力十分巨大，若不能迅速將其瀉放入大地，將導(dǎo)致放電通道內(nèi)的物體、建筑物、設(shè)施、人畜遭受嚴(yán)重的破壞或損害——火災(zāi)、建筑物損壞、電子電氣系統(tǒng)摧毀，甚至危及人畜的生命安全。

　　(2)雷電波侵入

　　雷電不直接放電在建筑和設(shè)備本身，而是對(duì)布放在建筑物外部的線纜放電。線纜上的雷電波或過電壓幾乎以光速沿著電纜線路擴(kuò)散，侵入并危及室內(nèi)電子設(shè)備和自動(dòng)化控制等各個(gè)系統(tǒng)。因此，往往在聽到雷聲之前，我們的電子設(shè)備、控制系統(tǒng)等可能已經(jīng)損壞。

　　(3)感應(yīng)過電壓

　　雷擊在設(shè)備設(shè)施或線路的附近發(fā)生，或閃電不直接對(duì)地放電，只在云層與云層之間發(fā)生放電現(xiàn)象。閃電釋放電荷時(shí)，在電源和數(shù)據(jù)傳輸線路及金屬管道金屬支架上感應(yīng)生成過電壓。

　　雷擊放電于具有避雷設(shè)施的建筑物時(shí)，雷電波沿著建筑物頂部接閃器(避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)或避雷針)、引下線泄放到大地的過程中，會(huì)在引下線周圍形成強(qiáng)大的瞬變磁場，輕則造成電子設(shè)備受到干擾，數(shù)據(jù)丟失，產(chǎn)生誤動(dòng)作或暫時(shí)癱瘓;嚴(yán)重時(shí)可引起元器件擊穿及電路板燒毀，使整個(gè)系統(tǒng)陷于癱瘓。

　　(4)系統(tǒng)內(nèi)部操作過電壓

　　因斷路器的操作、電力重負(fù)荷以及感性負(fù)荷的投入和切除、系統(tǒng)短路故障等系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的變化而使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變，引起的電力系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量轉(zhuǎn)化，從而產(chǎn)生內(nèi)部過電壓，即操作過電壓。操作過電壓的幅值雖小，但發(fā)生的概率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雷電感應(yīng)過電壓。實(shí)驗(yàn)證明，無論是感應(yīng)過電壓還是內(nèi)部操作過電壓，均為暫態(tài)過電壓(或稱瞬時(shí)過電壓)，最終以電氣浪涌的方式危及電子設(shè)備，包括破壞印刷電路印制線、元件和絕緣過早老化壽命縮短、破壞數(shù)據(jù)庫或使軟件誤操作，使一些控制元件失控。

　　(5)地電位反擊

　　如果雷電直接擊中具有避雷裝置的建筑物或設(shè)施，接地網(wǎng)的地電位會(huì)在數(shù)微秒之內(nèi)被抬高數(shù)萬或數(shù)十萬伏。高度破壞性的雷電流將從各種裝置的接地部分，流向供電系統(tǒng)或各種網(wǎng)絡(luò)信號(hào)系統(tǒng)，或者擊穿大地絕緣而流向另一設(shè)施的供電系統(tǒng)或各種網(wǎng)絡(luò)信號(hào)系統(tǒng)，從而反擊破壞或損害電子設(shè)備。同時(shí)，在未實(shí)行等電位連接的導(dǎo)線回路中，可能誘發(fā)高電位而產(chǎn)生火花放電的危險(xiǎn)。

　　三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)防雷的必要性分析

　　在某些沿海風(fēng)電場，如果廣東石碑山風(fēng)電場，雷電日為40個(gè)左右,為雷雨多發(fā)地區(qū),而據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示,對(duì)于高度為h(m)的建筑物在每年平均10個(gè)雷電日的情況下,年遭雷擊的概率N如表1所示:

　　表1高度與雷擊次數(shù)的關(guān)系

　　高度h(m) 20 50 100 200

　　N雷擊數(shù)/年 0.02 0.1 0.3 1

　　年均雷電日10天

　　表2顯示了在強(qiáng)雷區(qū)中結(jié)構(gòu)物分別高于12-16米都應(yīng)考慮設(shè)置防雷保護(hù),如金風(fēng)S43/600風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架高度為48.5米,加之葉片長度應(yīng)在60米以上,因而更易遭到雷擊.

　　表2應(yīng)設(shè)防雷保護(hù)的結(jié)構(gòu)物高度

　　雷區(qū)等級(jí) 年平均雷電日X 結(jié)構(gòu)物高度h(m) 說明

　　輕雷區(qū) X<30 h>24 應(yīng)考慮防止直接雷擊

　　中雷區(qū) 3530 同上

　　強(qiáng)雷區(qū) X>80 h>16 同上

　　統(tǒng)計(jì)表明風(fēng)力發(fā)電機(jī)受到的雷擊大多是直接雷擊,并且遭受雷擊的風(fēng)機(jī)如果缺少有效的防雷保護(hù)，其葉片和電器系統(tǒng)都會(huì)受到不同程度的損壞,嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)生著火。因此，風(fēng)機(jī)的防雷技術(shù)很重要，應(yīng)引起各風(fēng)機(jī)制造廠家的重視，以使風(fēng)機(jī)遭受雷擊時(shí)受到的損害為最小。

　　四、金風(fēng)S43/600風(fēng)力機(jī)的雷電防護(hù)體系

　　金風(fēng)S43/600機(jī)組的全雷電防護(hù)體系,包括對(duì)葉片、機(jī)艙、塔架、輸電線路以及控制系統(tǒng).它是利用雷電的選擇最小阻抗路徑的自然特性,人為架設(shè)一條低阻抗通路,讓雷電的能量順著預(yù)定的線路泄放,降低電位提升,減小溫度升高,保護(hù)風(fēng)力機(jī)設(shè)備免遭損壞.具體的防雷體系及修改建議如下:

　　(一)葉片的防雷保護(hù)

　　雷電擊中葉片后,在內(nèi)部形成的高溫以及造成的空氣膨脹,使葉片開裂,因此對(duì)于葉片的防雷應(yīng)給以足夠的重視,葉片采用內(nèi)置式的雷電接閃器。見下圖：

　　這種防雷裝置經(jīng)過試驗(yàn)室測定：可經(jīng)受

　　1600KV的雷擊電壓和200KA的電流。

　　該裝置簡單精巧，與葉片的壽命一樣。

　　如果需要，可以很方便的更換。

　　圖1葉片的雷電保護(hù)

　　1.液壓缸支架2.鋼絲3.碳纖維軸4.接閃器

　　整個(gè)葉片分成兩段,葉尖部分玻璃纖維聚脂層預(yù)制鑄鋁型心作為接閃器,通過碳纖維材料的阻尼器軸,與連接輪轂的葉尖阻尼器鋼絲相連接,當(dāng)遭到雷擊時(shí),雷電流經(jīng)葉片中金屬導(dǎo)體迅速傳到葉根金屬法蘭和輪轂,在機(jī)艙主軸端設(shè)有兩個(gè)防雷碳刷,用于傳接由葉尖傳過來的雷電流,最后通過接地低阻抗通路時(shí)雷電能量泄放,從而達(dá)到防雷目的。

　　在這里提出,鋼絲繩與輪轂之間的連接導(dǎo)線采用專用的銅線,導(dǎo)線的橫截面積不少于50mm².在石碑山風(fēng)電場中,接地線的螺栓發(fā)生腐蝕,使導(dǎo)線和底板接觸不良,形成隱患。建議對(duì)接地螺栓采用防腐性能更好的螺栓.或采用專門的防腐材料進(jìn)行及時(shí)有效的防腐。另外,葉尖接閃面較小,接閃器離葉尖太遠(yuǎn),雷電流經(jīng)過葉尖雷擊點(diǎn)到接閃器之間的玻璃纖維時(shí)引起葉尖材料溫度急劇升高而爆裂。

　　(二)對(duì)機(jī)艙的保護(hù)

　　風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪、機(jī)艙都是轉(zhuǎn)動(dòng)的，要將雷電的能量從轉(zhuǎn)動(dòng)的部分可靠的引到地下，關(guān)鍵要保持良好的接觸，否則雷電流將會(huì)流到機(jī)艙其他部位，比如擊穿油膜，對(duì)軸承或齒輪箱放電，從而損壞設(shè)備。

　　安裝在機(jī)艙罩后上部的避雷針可以保護(hù)整個(gè)機(jī)艙,同時(shí)機(jī)艙內(nèi)各部件包括機(jī)艙罩通過95mm²的接地電纜與機(jī)艙底座連接,機(jī)艙底座通過偏航軸承與塔架連接,確保雷電流迅速從塔架流入大地。

　　圖2發(fā)電機(jī)接地線圖3齒輪箱接地線

　　根據(jù)在風(fēng)電場維護(hù)運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)以上圖片中接地電纜長度較長,發(fā)電機(jī)接地線的長度按工藝要求為550mm,可以縮減到520mm;齒箱接地線可以由610mm縮減到580mm,就可以滿足安裝要求.另一方面,接地線越短,其電阻越小,那么風(fēng)機(jī)的低阻抗通路性能就越好.

　　(三)風(fēng)機(jī)的接地

　　風(fēng)機(jī)的接地系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)防雷系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)包括一個(gè)圍繞風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的環(huán)狀導(dǎo)體，與基礎(chǔ)一同構(gòu)成風(fēng)機(jī)的接地系統(tǒng)，環(huán)狀導(dǎo)體采用70mm²或更大些的銅導(dǎo)體，若按這種方式測得接地電阻>2Ω,則必須采取措施如增加電極直到≤2Ω。

　　如圖所示：

　　圖4風(fēng)機(jī)接地

　　1.環(huán)狀金屬導(dǎo)體2.接地電極

　　廣東石碑山風(fēng)電場屬于臨海地區(qū)，土壤電阻率較高，為降低接地電阻，開挖接地網(wǎng)溝后，建議用土壤電阻率較低的土壤回填，會(huì)比現(xiàn)有的添加降阻劑效果更加顯著。

　　四、結(jié)論

　　1、改善葉尖防雷結(jié)構(gòu)，接閃器離葉尖不易太遠(yuǎn)，雷電流經(jīng)過葉尖雷擊點(diǎn)到接閃器間的玻璃纖維時(shí)，引起葉尖材料溫度急劇升高而爆裂，建議改進(jìn)風(fēng)機(jī)葉片的防雷設(shè)計(jì)，訂購葉片時(shí)要求廠家提供葉片防雷的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和資料。

　　2、針對(duì)廣東沿海地區(qū)氣候潮濕，接地螺栓的防腐須提高要求，防雷保護(hù)的關(guān)鍵在于金屬接觸要充分。

　　3、針對(duì)臨海地區(qū)土壤電阻率較高，建議在開挖接地網(wǎng)溝后，用電阻率低的土壤回填。