兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪防雷系統(tǒng)研究

文 | 肖進(jìn)，梁瑞利，袁樂(lè)，曹?chē)?guó)榮，歐陽(yáng)華

兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)由于各種原因引發(fā)故障，其中雷擊就是造成風(fēng)電機(jī)組故障及損毀的一個(gè)重要原因。正因?yàn)槿绱耍L(fēng)電機(jī)組防雷系統(tǒng)顯得尤為重要。但是風(fēng)電機(jī)組防雷系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，包括風(fēng)輪防雷系統(tǒng)，機(jī)艙防雷系統(tǒng)，塔筒和地基防雷系統(tǒng)。其中風(fēng)輪處于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的最高點(diǎn)，最易遭受雷擊而造成風(fēng)電機(jī)組中電氣元件和結(jié)構(gòu)件發(fā)生故障及損毀。所以對(duì)于風(fēng)輪防雷系統(tǒng)的研究尤其重要。本文通過(guò)對(duì)兩種風(fēng)輪防雷系統(tǒng)方案進(jìn)行原理分析和實(shí)驗(yàn)效果比較，以找出最佳的風(fēng)輪防雷系統(tǒng)方案。

風(fēng)輪防雷系統(tǒng)的特點(diǎn)

風(fēng)輪防雷系統(tǒng)不同于機(jī)艙防雷系統(tǒng)和塔筒防雷系統(tǒng)，它具有一定的特殊性，具體表現(xiàn)在以下方面：

風(fēng)電機(jī)組安裝完成后，葉片尖部離地最高點(diǎn)可達(dá)100m－160m，正是由于葉片處于風(fēng)電機(jī)組中的最高位置，使得其成為風(fēng)電機(jī)組中最易遭受雷擊的零部件。同時(shí)葉片也是風(fēng)電機(jī)組中價(jià)值較高的零部件之一，一旦損壞，其修復(fù)和更換的費(fèi)用比較昂貴。所以如何將葉片中的雷電流可靠、快速地通過(guò)風(fēng)輪防雷系統(tǒng)導(dǎo)入機(jī)艙防雷系統(tǒng)非常重要。

風(fēng)輪的運(yùn)行情況比較復(fù)雜。相對(duì)于風(fēng)電機(jī)組塔筒的固定，機(jī)艙繞塔筒中心的水平轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)輪既有葉片繞葉根中心的轉(zhuǎn)動(dòng)，也有整個(gè)風(fēng)輪和風(fēng)電機(jī)組主軸繞主軸中心的轉(zhuǎn)動(dòng)。這種運(yùn)行情況使得風(fēng)輪防雷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得比較復(fù)雜。

風(fēng)輪葉片中防雷元器件設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組葉片中防雷元器件的設(shè)計(jì)已經(jīng)相當(dāng)成熟，大部分風(fēng)電機(jī)組廠家都是以接閃器和連接接閃器的引雷導(dǎo)線為主。只是接閃器的形式及布置，引雷導(dǎo)線末端連接的電流輸出部件略有差異。圖 1是某風(fēng)電機(jī)組廠家葉片防雷元器件布置圖。其中葉片吸力邊和壓力邊在葉片長(zhǎng)度范圍內(nèi)各布置了三組接閃器，接閃器在葉片長(zhǎng)度范圍內(nèi)的布置設(shè)計(jì)應(yīng)遵循GL規(guī)范要求。

三組接閃器通過(guò)從葉尖過(guò)來(lái)的引雷導(dǎo)線連接在一起，引雷導(dǎo)線的末端連接雷電流輸出部件。現(xiàn)國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組廠家電流輸出部件主要是葉根法蘭和葉根中心金屬件，如圖 2。引雷導(dǎo)線末端具體連接哪種電流輸出部件需根據(jù)風(fēng)輪防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要進(jìn)行選擇。

風(fēng)輪防雷系統(tǒng)方案研究

現(xiàn)行風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪大體由葉片，變槳軸承，輪轂等部件構(gòu)成（其余與防雷無(wú)關(guān)的零部件圖中均未體現(xiàn)），其中葉片安裝在變槳軸承內(nèi)圈，變槳軸承外圈安裝在輪轂上，輪轂直接固定在主軸上，見(jiàn)圖 3。

根據(jù)以上風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)，可以為風(fēng)輪防雷系統(tǒng)設(shè)想兩種雷電流傳導(dǎo)入機(jī)艙防雷系統(tǒng)的通路：

圖1 某風(fēng)電機(jī)組廠家葉片防雷元器件布置圖

圖2 引雷導(dǎo)線連接電流輸出部件

電流流經(jīng)葉片—變槳軸承—輪轂—主軸進(jìn)入機(jī)艙防雷系統(tǒng)；

電流流經(jīng)葉片—輪轂—主軸進(jìn)入機(jī)艙防雷系統(tǒng)。

針對(duì)以上兩種雷電流傳導(dǎo)路徑，可以設(shè)計(jì)出兩種風(fēng)輪防雷系統(tǒng)方案—防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)和直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)，下面詳細(xì)介紹兩種風(fēng)輪防雷系統(tǒng)方案并通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較兩種方案的優(yōu)劣性。

一、 風(fēng)輪防雷系統(tǒng)方案——防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)

現(xiàn)行風(fēng)電機(jī)組在很長(zhǎng)一段時(shí)間里一直以上述第一種電流通路為雷電流主要傳導(dǎo)路徑來(lái)設(shè)計(jì)風(fēng)輪防雷系統(tǒng)。防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)就是典型的以這種電流路徑傳導(dǎo)雷電流的風(fēng)輪防雷系統(tǒng)。直到現(xiàn)在，防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)在風(fēng)輪防雷系統(tǒng)中還是占據(jù)主流。下面將詳細(xì)介紹防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖 4。

防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)包括葉片、裝在葉片和變槳軸承內(nèi)圈之間的葉根法蘭、變槳軸承、安裝在變槳軸承外圈上的防雷爪（防雷爪具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 5）、輪轂等零部件。其中葉片中引雷導(dǎo)線的末端連接的是第三部分中介紹過(guò)的葉根法蘭。

防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)原理為：當(dāng)葉片遭受雷擊時(shí)，葉片上接閃器會(huì)瞬間將巨大的雷電流通過(guò)引雷導(dǎo)線傳導(dǎo)到與之相連的葉根法蘭。這時(shí)雷電流會(huì)通過(guò)兩條通路進(jìn)行傳導(dǎo)。

圖3 風(fēng)輪裝配圖

圖4 防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)

圖5 防雷爪

一部分雷電流通過(guò)防雷爪上的防雷刷與葉根法蘭之間的空氣放電作用，從葉根法蘭通過(guò)防雷爪傳導(dǎo)到變槳軸承外圈，再通過(guò)變槳軸承外圈及連接件將電流傳導(dǎo)給輪轂，最終通過(guò)輪轂將電流傳導(dǎo)給主軸和機(jī)艙防雷系統(tǒng)，具體雷電流傳導(dǎo)路徑如圖 4中的A—C—D—E—F；

還有一部分電流通過(guò)跟葉根法蘭相連的變槳軸承內(nèi)圈，經(jīng)過(guò)軸承滾珠傳導(dǎo)到變槳軸承外圈，再通過(guò)變槳軸承外圈及連接件將電流傳導(dǎo)給輪轂，最終通過(guò)輪轂將電流傳導(dǎo)給主軸和機(jī)艙防雷系統(tǒng)，具體雷電流傳導(dǎo)路徑如圖 4中的A—B—D—E—F。

該方案優(yōu)點(diǎn)如下：

因?yàn)檠b在變槳軸承外圈上的防雷爪和裝在變槳軸承內(nèi)圈上的葉根法蘭之間存在繞葉片中心的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，而防雷爪裝配完成后與葉根法蘭之間存在一定的放電間隙，這個(gè)放電間隙可以保證葉片在旋轉(zhuǎn)變槳過(guò)程中，防雷爪不至于和旋轉(zhuǎn)的葉根法蘭之間發(fā)生機(jī)械干涉；

防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)整個(gè)結(jié)構(gòu)裝配簡(jiǎn)單，沒(méi)有復(fù)雜的零部件。

但是該方案卻存在以下缺點(diǎn)：

防雷爪上防雷刷與葉根法蘭之間的間隙必須保證在一個(gè)合適的范圍，這樣才能保證可靠的空氣放電。但是由于防雷爪上防雷刷和葉根法蘭經(jīng)過(guò)多次放電，兩者間的間隙會(huì)慢慢變大，所以防雷刷每隔一段時(shí)間需要調(diào)整和更換。倘若沒(méi)有及時(shí)調(diào)整和更換防雷刷，雷電流將全部通過(guò)變槳軸承內(nèi)圈和滾珠傳導(dǎo)給輪轂，這樣極易燒壞變槳軸承的滾珠。

同時(shí)根據(jù)GL規(guī)范規(guī)定：強(qiáng)烈推薦雷電流保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成所有的雷電流從軸承旁路通過(guò)。但是該方案雷電流有一部分通過(guò)了軸承的滾珠，這部分雷電流時(shí)間一長(zhǎng)容易造成軸承滾珠的破壞。

二、 風(fēng)輪防雷系統(tǒng)方案——直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)

根據(jù)上述第二種雷電流傳導(dǎo)路徑及GL規(guī)范，可以設(shè)計(jì)出直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)。該方案在現(xiàn)行風(fēng)電機(jī)組開(kāi)發(fā)階段還屬于實(shí)驗(yàn)方案，沒(méi)有得到普遍應(yīng)用。下面將詳細(xì)介紹直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖 6。

直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)由葉片、中間機(jī)械連接裝置、輪轂組成。其中葉片中引雷導(dǎo)線的末端連接的是第三部分中介紹過(guò)的葉根中心金屬件。

其中圖 7是一種中間機(jī)械連接裝置，其中葉片引雷導(dǎo)線和葉片端過(guò)渡板一起安裝在位于葉片根部中心位置的葉根中心金屬件上，而輪轂端過(guò)渡板則固定在位于輪轂中心位置的輪轂端轉(zhuǎn)接板上，葉片端過(guò)渡板和輪轂端過(guò)渡板之間有一定的距離，且在葉片端過(guò)渡板和輪轂端過(guò)渡板之間安裝有一根引雷導(dǎo)線。

表1 不同風(fēng)輪防雷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)原理為：當(dāng)葉片遭受雷擊時(shí)，葉片上接閃器會(huì)瞬間將巨大的雷電流通過(guò)葉片引雷導(dǎo)線傳導(dǎo)到與之相連的葉片端過(guò)渡板，葉片端過(guò)渡板通過(guò)引雷導(dǎo)線將雷電流傳導(dǎo)到固定在輪轂端轉(zhuǎn)接板上的輪轂端過(guò)渡板，最終雷電流通過(guò)輪轂端轉(zhuǎn)接板傳導(dǎo)到輪轂。

該方案優(yōu)點(diǎn)如下：

因?yàn)槿~片端過(guò)渡板和輪轂端過(guò)渡板之間存在一定的間隙，且兩者都安裝在葉根中心位置。在兩者之間還安裝了可以承受旋轉(zhuǎn)載荷的軟引雷導(dǎo)線，所以在葉片繞葉根中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變槳時(shí)，該引雷導(dǎo)線不會(huì)斷裂；

直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)雷電流引導(dǎo)路徑?jīng)]有經(jīng)過(guò)變槳軸承，這不僅符合GL設(shè)計(jì)規(guī)范而且可以可靠保護(hù)變槳軸承，防止價(jià)值較高的變槳軸承遭雷電流襲擊而破壞；

直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)安裝沒(méi)有空氣放電間隙要求，不需要進(jìn)行后期地調(diào)整和維護(hù)。

三、 兩種風(fēng)輪防雷系統(tǒng)方案實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為了驗(yàn)證防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)和直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)方案效果，我們將兩種方案都進(jìn)行了裝機(jī)并安裝在同一風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際效果檢驗(yàn)。該風(fēng)電場(chǎng)屬于多雷地區(qū)，一年有三分之一時(shí)間都有雷電襲擊。經(jīng)過(guò)三年的實(shí)驗(yàn)，我們得到的數(shù)據(jù)如表 1（表中只列出了被雷電流損壞的電氣元件和機(jī)械部件）。

結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上對(duì)防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)和直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)的原理分析和實(shí)際裝機(jī)實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：

現(xiàn)場(chǎng)裝配方面：由于直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)不需要調(diào)整空氣放電間隙，故安裝精度要求方面低于防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)；

對(duì)風(fēng)輪內(nèi)部零部件地保護(hù)：從表 1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)對(duì)風(fēng)輪內(nèi)部零部件地保護(hù)作用優(yōu)于防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)；

圖6 直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)

圖7 一種中間機(jī)械連接裝置

后期維護(hù)方面：由于直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)不需要調(diào)整空氣放電間隙，所以后期不像防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)一樣需對(duì)放電間隙進(jìn)行維護(hù)，極大地減小了風(fēng)電機(jī)組后期的檢查和維護(hù)工作量。

綜上，直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)是一種表現(xiàn)優(yōu)異的風(fēng)輪防雷系統(tǒng)。雖然現(xiàn)階段還未得到廣泛應(yīng)用，但是相信在不久后的將來(lái)，直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)將很可能成為風(fēng)輪防雷系統(tǒng)的主流方案。