風力發電防雷關鍵技術及研究進展

尹俊磊

（大理州氣象局 云南 大理 671000）

摘 要： 雷擊造成的風力發電機組損害已經成為了一個公認的危害風力發電安全運行的問題，目前隨著風力發電機組數量的增多，使得雷擊破壞發生率比預期的有所擴大，導致維修費用已經達到了不可接受的水平，嚴重的影響了風力發電行業的健康發展。以下就對雷暴天氣對風力發電機組的危害進行了分析，并在此基礎上對接地系統防雷、機組葉片防雷、軸承防雷、機艙防雷及機組中設置電涌保護器等關鍵技術等風力發電防雷關鍵技術及研究進展進行了闡述。

關鍵詞： 風力發電；雷擊；防雷技術

我國是風電資源大國，風力發電在我國占據著重要的位置。因此，確保風力發電安全、有效的進行是一項十分重要的工作。然而據相關數據顯示，影響風力發電安全、有效進行的主要事故中，雷擊事故占據著較高的比例，據不完全統計雷擊造成的風力發電機組事故占到了總事故的30%以上[1]。且由雷擊造成的事故，在后期恢復生產過程中所需的維修費用巨大，給風力發電帶來了極大的危害。因此，積極的研究風力發電防雷關鍵技術，最大程度上降低由于雷擊事故帶來的損害，是當前的一項重要任務。以下就對風力發電防雷關鍵技術及其研究進展進行了分析和闡述，以期為提高風力發電防雷水平提供參考。

1雷暴天氣對風力發電機組的危害

雷暴天氣對風力發電機組的危害，來自于直接損害和間接損害兩個方面，直接損害主要是由于雷電流對風力發電機組的產生的熱效應和機械效應。損害的主要對象是葉片、機械結構和軸承等；間接損害主要是雷電電磁感應和電涌過電壓效應。在雷暴天氣的侵襲之下，由雷電流引起的暫態電位升高，一方面會對風力發電機組中的電子設備、電氣設備造成損害，另一方面還會對處在風力發電場中的工作人員，以及其中放牧的牲畜造成傷害。跨步電壓也就是由雷電流引起的暫態電位升高，是損害風力發電機組的主要原因[2]。跨步電壓越大對風力發電機組產生的危害越大，而跨步電壓的大小則是受到多方面因素的影響的，主要包括的因素有接地體的結構尺寸、土壤的電阻率、雷電流幅值等。就拿土壤電阻率來說，對于電阻率較小的土壤，由于其地電位分布特性曲線變化比較平緩，因此地面上兩點之間的電位差相對較小，當受到雷電流襲擊時，產生的跨步電壓也就比較小。反之，則產生的跨步電壓就較大[3]。

2 風力發電防雷關鍵技術及研究進展

2.1接地系統防雷

接地系統是否做了充分的防雷設計是確保風力發電機組電子安全與工作人員人身安全的保障。從防雷來看，不管是避雷針、避雷器還是電涌保護器，這些防雷裝置均需要接地處理，只有通過良好的接地處理，才能夠將其受到的雷電流傳到入地。因此，加強風力發電機組各個避雷裝置的接地，才能夠使其發揮良好的保護作用，提高風力發電機組的防雷效果。

2.2機組葉片防雷

目前隨著風力發電機組單機容量的不斷增大，導致機組葉片的長度也隨之增加。而當機組葉片的長度超過20m之后，傳統的單接閃器聯合內置導體的防雷方式就無法滿足防雷需求，一旦遇到雷擊可能會出現數目較大的非閃器部位雷擊點，從而導致機組葉片遭受到雷擊的概率大大提升，防雷可靠性急劇下降。鑒于此，為了避免這種情況，在實際中，對于長度超過20m的機組葉片，需在其上設置多個接閃器，并且將各個接閃器與內置引下導體作電氣連接。通過這樣的技術處理，能夠顯著的提升機組葉片的防雷可靠性，提升機組運行安全度。該技術目前已經在兆瓦級的風力發電機組葉片上投入使用，并且取得了較為理想的防雷效果[4]。

2.3軸承防雷

軸承防雷的主要技術就是在軸承前端設計一條與其并行的低阻通道，以此來對沿軸承傳來的雷電流進行旁路分流，最大程度上減少流過軸承的雷電流。目前，在實際的應用中為了實現這一設計，使用最多的是導體滑環、電刷和放電器等設置電流旁路。但是在實際的應用的過程中，存在一個問題，那就是碳刷在摩擦接觸傳到雷電流時會在其上產生電弧，從而加劇其磨損程度，導致接觸電阻增大，減弱旁路分流作用，對軸承的防雷保護性也隨之降低。鑒于這一問題，可將傳統的碳刷改為磨損性能更加的銅質電刷。

2.4機艙防雷

在通常情況下，風力發電機機組葉片上做設置的接閃器和引下導體就能夠很好的將來自發電機機艙前方和上方的雷電進行攔截并下行先導，這是在60m以下的情況。但是當超過60m以上，雷電就能夠從任何方向對發電機機艙進行襲擊，導致發電機機艙防雷能力減弱。為了解決這一問題，就需要在發電機機艙的尾部安裝避雷針，一方面能夠很好地對發電機機艙尾部的氣象站實施保護，另一方面能夠避免發電機機艙尾部遭受直接的雷擊，提高防雷效果。而對于發電機機組葉片上沒有采取防雷措施和防雷裝置的機組，單純在發電機機艙尾部設置避雷針的方式就無法滿足防雷要求，而是需要在發電機機艙前端及尾部，同時均設置避雷針，才能夠確保發電機機艙的防雷可靠性。并且在必要時，還需在發電機機艙的表面放置金屬帶和金屬網，進一步加強發電機機艙的雷電防御效果。

2.5機組中設置電涌保護器

在風力發電機組中設置電涌保護器是雷電防護的基本措施，作用是把竄入電力線、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設備或系統所能承受的電壓范圍內，或將強大的雷電流泄流入地，保護設備或系統不受沖擊而損壞，電涌保護器根據其具體的功能分為電源電涌保護器和信號電涌保護器兩大類，其中的電源電涌保護器是通過設置在電力線路上發揮防雷作用的；而其中的信號電涌保護器則是通過設置在信號線路上發揮防雷作用的。通過電涌保護器的應用能夠有效地防止雷電電涌沿著顯露侵害端的電氣設備和電子設備。

3 小結

綜上所述，只有從風力發電的機組葉片接閃分流措施、機電系統抗雷電過電壓及接地系統等環節入手，深入研究其關鍵風雷技術并進行應用，才能夠顯著提升風力發電機組的防雷可靠性，促使風力發電安全運行。

參考文獻

[1]阿依古麗·買買提，張偉.試論風力發電機組控制方法改進策略研究[J].電腦知識與技術，2014（06）.

[2]梅衛群，江燕如，建筑防雷工程與設計[M].氣象出版社，2012.

[3]IEC TR 61400-24：2002，風力發電機組第 24 部分雷電防護[S].

[4]鄢小安，賈民平. 參數優化的組合形態-hat變換及其在風力發電機組故障診斷中的應用[J]. 機械工程學報，2016（13）.