風電機的直接雷擊及其防護

趙江

摘 ?要：風電機組在受直接雷擊時，巨大的雷電流將在其傳輸入地的路徑上產生熱效應和機械效應，雷電對風電機組槳葉、軸承和傳動部件都可能造成直接和潛在的損壞，隨著機組容量的增大和機組高度的加長，機身的空間暴露范圍也在擴大，相應的，其直接遭受雷擊的概率也在增大。因此，在風電機組的防雷設計中，其直接雷擊防護一直受到十分廣泛的關注。

關鍵詞：直接雷擊 ?損壞 ?防護 ?防雷

中圖分類號：TM315 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）07（a）-0043-02

風電機組在受直接雷擊時，巨大的雷電流將在其傳輸入地的路徑上產生熱效應和機械效應，對槳葉、軸承和傳動部件造成直接和潛在的損壞，引起機組停運事故，危害風電系統的安全可靠運行。隨著機組容量的增大和機組高度的加長，機身的空間暴露范圍在擴大，相應的，其直接遭受雷擊的概率也在增大。因此，在風電機組的防雷設計中，其直接雷擊防護一直受到十分廣泛的關注。該文將介紹機組的雷擊特性及槳葉和軸承部件的雷擊損壞機理，并對機組的直接雷擊防護措施加以討論。

1 ?風電機組的雷擊特性

1.1 雷擊部位

從風電機組的結構來看，其槳葉葉尖在運行時處于機組的動態最高點，是最容易受到雷擊的部位。但是，從滾球法的概念（見圖1）可見，槳葉側面、輪轂、機艙和塔筒上高度大于滾球半徑的部分均可能成為雷擊點。由于雷電流和雷擊距均為隨機變量，對于那些電流幅值高的強雷，其雷擊距大，相應的滾球半徑也大，滾球面與機組的接觸點將位于機組頂端的葉尖附近部位。對于電流較小的弱雷，其雷擊距小，相應的滾球半徑也小，滾球面與機組的接觸點可以從葉尖開始，向下擴展到機艙和塔筒，如圖1所示，圖（a）中的dsq為對應于強雷的滾球半徑，圖（b）中dsr為對應于弱雷的滾球半徑。因此，對于弱雷來說，其雷擊點在機組上的分布范圍要比強雷的廣，其破壞范圍比強雷的更大一些，在防護上也就要比強雷更難一些。

1.2 雷擊率

風電機組的雷擊率不僅與機組所處地域的氣象、地理和地質條件有關，還與機組自身的尺寸密切相關。隨著機組容量的增大，機組的高度和槳葉長度等尺寸也在增大，相應的，機組在大氣空間的暴露范圍和空間受雷曲面也在增大。機組的空間受雷曲面可按滾球法來確定，將滾球面沿槳葉、機艙和塔筒連續滾動，其球心的三維運動軌跡即為機組的空間受雷曲面，如圖2中的點劃線所示。從幾何的角度來看，當機組高度和槳葉長度增加時，沿機組滾球所得出的空間受雷曲面也將擴展、增大，這就意味著機組遭受雷擊的機會，即雷擊率會增大。

2 ?雷擊對各部件的損壞

2.1 雷擊對槳葉的損壞

槳葉是最容易受到雷擊的，同時也是維修成本額度最高的，它的主要組成材料為：鋼、鋁、木質、GRP（纖維增強塑料）、CFRP（碳纖維增強塑料），結構為外殼加內梁。該材料由于電阻率高，不易導電，但是在強大雷電流作用下就能夠產生導電路徑。從絕緣介質放電機制來看，固體介質的表面最容易發生沿面放電的路徑，當一片漿葉受到雷擊后，在槳葉上出現3條放電通道，雷電流可以通過沿面放電通道直接在殼體外表面上傳導，也可以在雷擊點處產生一個熱熔洞孔，透入洞孔去沿殼體的內表面或材料疊層交界面的沿面放電通道進行傳導。雷電流透入洞孔后，雷電流沿殼體內部路徑或殼體外表面進行傳導，在某些情況下，這種路徑的跳變可能會重復發生。

雷電流巨大時則可以產生電弧，這種弧道溫度可高達30000K，高溫則會燒毀弧道附近的殼體材料，同時高溫也會在殼體內部產生高壓力的沖擊波，對槳葉殼體產生損傷，使受雷擊后的槳葉上出現裂縫，嚴重時會導致槳葉斷裂。在某些嚴重的情況下，不僅會損毀直接受雷擊的槳葉，甚至還會傳遞到其他未受到雷擊的槳葉上去，這種嚴重的雷擊事故在國外風電場已有過多次記錄。

2.2 雷電流對軸承的損壞

在風電機組受到雷擊時，軸承則是風電機組另一個容易遭受到雷電流損壞的部件。當槳葉遭受到雷擊后，會有一些雷電流從槳葉傳導流進主軸，流進主軸的這部分雷電流中又有相當一部分流進軸承，由主軸所載的雷電流在機艙內各主要部件的分流路徑。雷電流流過軸承后，將會使軸承內的滾子和套圈受到損傷，從而危及軸承的運行可靠性。

雷電流對軸承的損壞作用與它在軸承內部傳導的路徑有很大關系，這些傳導路徑主要有兩條：一條是由軸承圓周上負載區段內滾子與套圈相接觸所形成的通路;另一條是由其圓周上無負載區段內滾子與套圈之間的短氣隙在被電弧擊穿后形成的通路。對于一個帶機載負荷的軸承來說，其圓周上負荷區段內與內套圈相接觸的滾子個數及其接觸面積取決于負荷的大小，且隨著負荷的增大而增大。在無負荷區段內，滾子與內套圈之間短氣隙的擊穿特性取決于軸承內填充潤滑油的絕緣強度。此外，軸承的旋轉運動也會進一步影響到雷電流在這兩條傳導路徑上的傳導性能及所造成的損傷程度。

3 ?風電機組防護

3.1 槳葉防雷

風電機組槳葉的防雷裝置主要是由接閃器和引下導體組成，一般情況是將接閃器做成圓盤形狀，將其嵌裝在槳葉的葉尖部，盤面與葉面平齊，接閃器與設置在槳葉本體內部并跨接槳葉全長的引下導體作電氣連接。當槳葉尖受到雷擊時，雷電流由接閃器導入引下導體，引下導體再將雷電流引入葉根部輪轂、低速軸和塔筒等，最終泄入大地。

這種內置引下導體的單接閃器，制造上是比較簡單的，通過場外實際運用，它對小型風電機組的保護是可以的（槳葉長度不超過20m的）。但對大中型風電機組來講，運用這種內置引下導體的單接閃器將會出現較多未覆蓋的雷擊點（大中型風電機組的槳葉大于20m的），不能滿足防雷擊的要求，槳葉受到雷擊的機會大大增多。通過外場實驗，將多個單接閃器裝在槳葉上是一種比較可行的辦法，各接閃器與內置引下導體連接，這種做法可以改善防雷裝置對雷電下行先導的攔截性能，同時也減小了槳葉表面雷擊點覆蓋面的幾率。

3.2 軸承防雷

軸承防雷主要是在軸承的前端設置一條并行的低阻通道，對于沿軸傳來的雷電流實施分流，使雷電流盡量少地流入軸承。為了達到軸承防雷目的，可用導體滑環、銅制電刷和放電器等來進行操作，機組中將采用耐磨性能較好的銅質電刷，這種銅質電刷可以在一定程度上改善磨損和導流狀況。如果單純地采用這種電刷進行旁路分流，只能分流走一部分雷電流，仍會有一部分雷電流可以經過軸承。經外場實驗，可采用旁路分流和阻斷隔離相結合的方式加以綜合治理。在主軸承齒輪箱與機艙底板之間加裝絕緣墊層以阻斷雷電流從這些路徑流過，并在齒輪箱與發電機之間加裝絕緣聯軸器，以阻斷雷電流從高速軸進入發電機，這樣就可以在很大程度上迫使雷電流從最前端的滑環旁路分流導入機艙底板和塔筒。應當注意，在受到雷擊或機艙內發生電氣故障時.這樣的絕緣方式會在被絕緣的設備與機艙底板之間產生高的電位差，即暫態過電壓，它對于維護人員的人身安全和設備的可靠運行都是具有危害性的，需要在這些部位采取附加的過電壓抑制措施。

3.3 機艙防雷

完成了槳葉防雷措施，對于機艙而言就相當于提供一層前級的保護。這一級的保護可有效地處理來自機艙正面和上面的雷電流，但不足的是，對于來自機艙尾后方的雷電流無法進行處理。因此，經過設計，在機艙尾部架設避雷針可有效地保護艙尾不受雷擊。如果機組的槳葉上沒有安裝接閃器等裝置，可以在機艙頭部和尾部架設避雷針，同時在機艙罩表面加裝金屬帶和金屬網，這樣可以起到防雷保護的效果。

4 ?結語

風機組在槳葉、軸承、機艙等部位進行了有效的防護后，遭受雷擊時，就可以從各防雷裝置作用下泄入大地，將雷擊危害程度顯著降低，從而取得好的防雷保護效果。

參與文獻

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