淺談風力發電場的防雷保護技術

吳梓源

1.引言

風力發電是一種清潔的可再生能源。我國風力發電技術日漸發展，目前有四大風力發電場：新疆達坂城風力發電場，內蒙古輝騰錫勒風電場，浙江臨海括蒼山風電場和甘肅酒泉千萬千瓦級風電場。風電場所處位置一般海拔比較高，所以遭受雷擊的可能性比普通發電廠大。在目前，風力發電機組單機的容量不斷的增加，葉輪直徑以及輪轂的高度也隨之增加，雷擊風險也被無形放大，一旦發生雷擊，雷電釋放出的能量不僅會造成發電機絕緣擊穿、發電機組葉片損毀、控制元器件燒毀等后果，還可能會造成工作人員的傷亡，因此，為了降低雷擊為風力發電場帶來的影響，必須做好其防雷保護技術。

2.避雷器和引地線

一套完整的防雷裝置包括避雷器（針、線、網、帶），引下線和接地裝置。風力發電機組安裝在塔架之上。塔架高度大多在20 m以上，容量愈大，塔架的高度越高幾十千瓦容量風力機組的風葉葉片直徑有10多米長，容量越大，葉片越長。

風力機的葉片在風力機中所處位置最高，伸出葉尖的金屬圓棒在設計風力機防雷保護時可作為避雷器，雷電流由此引入。若葉片內金屬導電體不伸出葉尖，就要另外設計一定高度的避雷器，以保護葉片不受雷擊，如風力機的轉軸、機艙、塔架作為引下線，因此要求風力機的葉片、轉軸、機艙和塔架有良好的通路把雷電流引入地下，風力機的引下線要保持良好的通路關鍵是風葉轉軸和機艙、機艙和塔架兩處轉動部分必須裝設電刷以短路軸承油膜，使雷電流暢通。

3.接地裝置

防雷接地的目的是減小雷電流通過接地裝置的地電位升高。從物理過程看，防雷接地與保護接地和工體接地有兩點區別：一是雷電流的幅值大，二是雷電流的等值頻率高。雷電流的幅值大，就會使地中電流密度ξ增大，因而提高了土壤中的電場強度（E=ξp），在接地體附近尤為顯著。若此電場強度超過土壤擊穿強度時，在接地體周圍的土壤中便會發生局部火花放電，使土壤導電性增大，接地電阻減小、因此，同一接地裝置在幅值較高的沖擊電流作用下，其接地電阻要小于工頻電流下的數值。這種效應為火花效應。另一方面，雷電流的等值頻率較高，使接地體自身電感的影響增加，阻礙電流向接地體遠端流通，對于長度長的接地體這種影響更加明顯，結果會使接地體得不到充分利用，使接地裝置的電阻值大于工頻接地裝置阻值。這種現象稱為電感影響。

4.外部（直擊雷）保護設計

4.1.葉片

葉片的葉尖部分處于整個風機的最高點，因而是最易遭受雷擊的部件。雷擊造成葉片損壞的機理是：雷電釋放巨大能量，使葉片結構溫度急劇升高，分解氣體高溫膨脹，壓力上升造成爆裂破壞。丹麥LM公司研究表明：不管葉片是用木頭或玻璃纖維制成，或是葉片包導電體，雷電導致損害的范圍取決于葉片的形式。葉片全絕緣并不減少被雷擊的危險，而且會增加損害的次數。其研究還表明：多數情況下被雷擊的區域在葉尖背面（或稱吸力面）。所以葉片防雷系統的主要目標是避免雷電直擊葉片本體，而導致葉片本身發熱膨脹、迸裂損害。

目前廣泛使用的有兩種葉片：一種是葉尖阻尼器結構的葉片，另一種是無葉尖阻尼器的葉片（變槳距風機及少效失速型風機使用）。無葉尖阻尼器機構的葉片由于無葉尖阻尼機構，因而該型葉片防護方式實現起來較為簡單，即在葉尖部分將銅網布或盎屬導體。有葉尖阻尼器結構的葉片設置了葉尖阻尼器的葉片，整個葉片分成了兩段，葉尖部分玻璃纖維聚酯層預置鑄鋁型芯作為避雷器，通過采用了碳纖維材料制成的阻尼器軸，與連接輪轂的葉尖阻尼器啟動鋼絲相連接，這種用于葉片的防雷保護系統。

4.2.機艙

現代大多數風力機的機艙罩是用金屬板制成，這相當于一個法拉第罩，對機艙中的部件起到了良好的防雷保護作用，并且在機艙罩后部設置一高于風速風向儀的避雷針，用以保護風速風向儀，并保證即使風機的機艙直接被雷擊時，雷電也會導向塔架而不會引起損壞。機艙罩及機艙內的各部分件均通過50mm2銅導體與機艙底板連接，旋轉部分的輪轂通過碳刷經銅導體與機艙底板連接，機艙底板通過偏航系統上的滑動環與塔架相連，以確保雷電流可以迅速導入塔架。

4.3.接地網

接地網包括 1 個 50 mm2 銅環導體，置在離基礎 1 m 地下 1 m 處；每隔一定距離打入地下鍍銅接地棒，作為銅導電環的補充；銅導電環連接到塔架 2 個相反位置，地面的控制器連接到連點之一。有的設計在銅環導體與塔基中間加上兩個環導體，使跨步電壓更加改善。如果風機放置在高地電阻區域，地網將要延伸保證地電阻達到規范要求。一個有效的接地系統，應保證雷電入地，為人員和動物提供最大限度的安全，以及保護風機部件不受損壞。

5.內部（過電壓）保護系統

5.1.等電位匯接

等電位匯接：將所有用電設備用導體直接相連，并與地連接形成大地與設備電位相等，電流不會對人體傷害。

風速計和風標與避雷針一起接地等電位；機艙的所有組件如主軸承、發電機、齒輪箱、液壓站等以合適尺寸的接地帶，連接到機艙主框作為等電位；地面開關盤框由一個封閉金屬盒，連接到地等電位。

5.2.隔離

為了更好的起到防雷作用，塔頂控制器以及機艙控制器中的通信部分應該全部使用光纖進行連接，以便實現廣電隔離的效果，對于內部的控制器和傳感器，要使用不同的電流進行供電，實現電源隔離的效果，對于重點電氣部分，要使用隔離變壓器進行供電。

5.3.過電壓保護

過電壓指峰值大于正常運行下最大穩態電壓的相應峰值的任何電壓。雷電過電壓屬于瞬態過電壓。

對于開關盤、發電機的電源線路要使用電源防雷器進行保護，在控制其信號電纜終端、模塊電子組件等部位時，要同時使用信號防雷保護對電源爐前進行防雷保護，防雷器的設計要嚴格的按照風力發電機組電氣原理圖以及防雷分區的相關標準進行。

參考文獻：

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