淺析風力發(fā)電機組雷電防護系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

董茜；王柱；武超；武學(xué)成；羅明河

（中節(jié)能（陽江）風力發(fā)電有限公司，陽江529500）

0 引言

我國風能資源豐富，但是大部分風能集中在空曠和高山等地區(qū)，這些地區(qū)乃雷電的多發(fā)地帶，一旦發(fā)電機組遭受雷擊，會導(dǎo)致機組線路中形成過電流與過電壓，影響了整個機組的安全運行。因此在風力發(fā)電機組設(shè)計中，必須在一些容易在遭受雷擊部位設(shè)計雷電防護系統(tǒng)，從而降低了風力發(fā)電機組遭受雷擊損壞的風險。

1 風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)與原理

我國大部分的風力發(fā)電機組主要由六個部分構(gòu)成：①葉片、②基礎(chǔ)設(shè)備、③機艙、④塔筒、⑤內(nèi)部設(shè)備、⑥變壓器。其中以水平軸式風力發(fā)電機組最為常見，該設(shè)備主要由機艙、葉片、轉(zhuǎn)子、低速軸、分組成，其工作原理如下：啟動后，轉(zhuǎn)子帶動葉片對風進行捕獲，然后將風傳送給轉(zhuǎn)子上的軸心，將低速軸將轉(zhuǎn)子軸心、齒輪箱二者連接在一起，軸中安裝有導(dǎo)管，該導(dǎo)管通過作用在液壓系統(tǒng)實現(xiàn)激發(fā)空氣動力閘的作用，提升高速軸的轉(zhuǎn)速，按照每分鐘1500 轉(zhuǎn)的速度運行，將發(fā)電機驅(qū)動，完成發(fā)電，在變壓器通過處理后便可以形成電能，實現(xiàn)了傳輸與組網(wǎng)[1]。

2 風力發(fā)電機組雷電防護系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

風力發(fā)電機組防雷系統(tǒng)主要包含以下幾個部分：

2.1 風力發(fā)電機組的接閃與引下

在風力發(fā)電機組中，其最高點為葉片最高點，一旦在雷雨天氣中，最容易遭受雷擊的便是葉片最高點。根據(jù)一條數(shù)據(jù)顯示：我國海南東風電場因為遭受雷擊導(dǎo)致的風機葉片損壞率達到了5.56 片/（白片·年）。當前風力發(fā)電機組葉片表面材料以絕緣的玻璃纖維為主，當葉片遭受雷擊時，因為形成的雷電無法被立即傳走，該雷電變會產(chǎn)生較強的機械與熱作用，并對葉片產(chǎn)生沖擊，并將葉片損壞。

針對這類情況，便需要將擁抗機械、較強的熱損傷能力以及容易接閃且拆卸的接閃器。安裝于風力發(fā)電機組的接閃器有兩類材質(zhì)，一類是銅制圓盤，這類接閃器的直徑范圍為150～200mm，另一類是不銹鋼圓盤，這類材質(zhì)的接閃器的直徑為50～80cm 作用，將它們分別安裝在葉片的正面與反面。需要注意的是：為了提升葉片結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，接閃圓盤的數(shù)量不能過多，通常情況下，若葉片的長度低于25m，只需分別在尖端各安裝一組即可，如果葉片的長度增加10m 時，那么接入的閃圓盤的數(shù)量也為1 組。引下線指的是葉片中安裝的金屬導(dǎo)線，在該導(dǎo)線的作用下，實現(xiàn)了接閃盤與風葉底部輪轂的成功連接，當葉片遭受雷擊時，接閃圓盤接閃以后的雷電流經(jīng)引線和輪轂被傳輸至塔筒。塔筒的金屬結(jié)構(gòu)被當作為導(dǎo)體，在將雷電流引入電機時需要注意：因為在安裝塔筒時存在塔接面偏離、縫隙大等問題，將塔筒當做導(dǎo)體導(dǎo)雷在泄放雷電時會形成拉弧的情況，所以沿著塔筒接面導(dǎo)雷時，應(yīng)用的跨接電纜的面積應(yīng)該較大，并且同時還需要增加壓接端子之間的接觸面積，并增設(shè)保護罩保護可能產(chǎn)生拉弧的部位。風力發(fā)電機組尾艙位于葉片對應(yīng)的位置上，當機艙尾端遭受雷電時，其不在葉片的防護區(qū)域范圍內(nèi)，如此便容易導(dǎo)致機艙中的電氣設(shè)備和設(shè)施被擊壞，針對這類情況便需要在機艙的尾端安裝接閃短桿，再通過引下線和接地裝置將雷電引入地下實現(xiàn)散流的作用，從而發(fā)揮雷電防護作用。

2.2 應(yīng)用浪涌保護器

浪涌保護器也常常被叫做防雷器，該儀器能夠防護各類通訊電路、儀器儀表以及各類電子設(shè)備等。其防護的原理為：能夠在瞬間完成分流導(dǎo)通，從而避免了回路上的各類儀器、設(shè)備、線路被損壞。當風力發(fā)電機組遭受雷擊時，便會在機組的內(nèi)部形成較強的電磁場，將其傳輸至電纜時便會有浪涌性的過電壓與過電流形成。由于當前大部分風力發(fā)電機組內(nèi)會安裝著很多的電子集成設(shè)備和微電子集成設(shè)備，容易在超高的浪涌電壓下被損壞，并帶來巨大的經(jīng)濟損失。

針對上述現(xiàn)象，可以采用安裝浪涌保護器的方式來解決。其能夠抑制由于雷電導(dǎo)致的信號線路之間的情況，保證了信號在通過電力線和信號傳輸線這一過程中形成的瞬時過電壓不會超過機組能夠承受的臨界值，并且還能同時將過大的電流泄流至大地上，避免了系統(tǒng)與設(shè)備被破壞。風力發(fā)電機組的防雷需要嚴格執(zhí)行標準對浪涌保護器進行安裝，其中以三級浪涌保護器最為常見。第一級保護器安裝的位置選擇在塔筒內(nèi)部總進線的位置，發(fā)揮著將風力發(fā)電機組被雷擊后形成的幾萬伏甚至數(shù)十萬伏的浪涌電壓器轉(zhuǎn)變成2500 至3500 伏這一范圍內(nèi)，避免因為浪涌電壓過高導(dǎo)致風力發(fā)電機組電子電氣設(shè)備被損壞。第二級浪涌保護器安裝的位置選擇在分配電源處，其發(fā)揮著吸收上一級浪涌保護器剩余的電壓以及區(qū)域內(nèi)遭受電磁感應(yīng)的設(shè)備能夠正常運行。雖然第一級電涌保護器可以吸收直擊雷電的能量，但是依然有一部分損壞電子電器的能量殘存下來，并且對電子電氣設(shè)備造成損壞，此時便需要通過第二級浪涌保護器吸收完殘存下來的能量，實現(xiàn)浪涌電壓下降至1500～2000 伏。第三級浪涌保護器安裝的部位為塔筒中的信號控制處，氣主要是講第二級浪涌保護性處理后殘留的浪涌電壓控制在1000 伏以內(nèi)，從而避免浪涌電壓損壞設(shè)備[2]。

2.3 風力發(fā)電機組等電位連接

為了避免風力發(fā)電機組內(nèi)部設(shè)備與系統(tǒng)之間在遭受雷擊時產(chǎn)生電位差的情況，需要將機艙與塔筒、槳葉與輪轂、輪轂與機艙、尾艙與水平軸間、輪轂與機艙、尾艙與水平軸、機艙與塔筒等進行等電位連接，從而確保操作人員、設(shè)備以及線路的安全。其中槳葉與輪轂、輪轂與機艙、機場與塔筒、尾艙與水平軸采用螺栓連接法蘭的方式進行等電位連接，剩余部分則采用焊接與鉚接的方式連接，最后再將上述各個部件連接，形成一個電氣整體，將雷電流迅速地經(jīng)引下裝置進入風機的接地系統(tǒng)內(nèi)。注意在連接時，所有的過度電阻均應(yīng)該在0.03 歐以下。關(guān)于機艙中的等位連接，主要做法是在機艙內(nèi)設(shè)置1 個總體等電位接地排，其與機艙底座連接，其能夠?qū)L力發(fā)電機組中的各種槽、金屬管、線纜、機柜的金屬屏蔽層、機艙的接閃引下線以及電涌保護器的接地端全部連接至中等電位接地端子板上，同時將槳葉接閃引下線應(yīng)用金屬滑環(huán)與機艙底座相連。采用這類方法，雖然能夠在一定程度上降低設(shè)備與系統(tǒng)之間形成電位差的風險，但是也會將一部分雷電流引入自機組電氣系統(tǒng)中，導(dǎo)致補償電容器擊穿，損壞可控硅，情況嚴重時，還可能在母排之間形成拉弧。

為了避免上述情況的弊端，可以改進機艙等電位，具體操作如下：首先制作一個端子板，保證其和艙總等電位端子板連接至塔底接地裝置再實現(xiàn)電涌保護器、金屬屏蔽從的接地端全部與該總接地端子板相連接，各種及機艙的接閃引下線等部分及機艙的接引線等全部連接至機艙金屬底座上，而槳葉接閃引下線則是通過金屬滑環(huán)和機艙的底座連接在一起。機艙金屬底座通過火花間隙型等電位連接器連接至電子電氣設(shè)備等電位接地端子板間。這樣連接的目的是：火花間隙型等電位連接器能夠?qū)⒅睋衾纂娏魃⒘髀窂胶蜋C箱中的感應(yīng)雷電流散流二者而路徑進行隔離，當直擊的電流比較大時，此時火花間隙型等電位連接器發(fā)揮的作用是短路，那么設(shè)備與下同之間的電位差維持在較低水平，因此絕大多數(shù)的雷電流則是，如此便極大地降低了發(fā)電機組中電子與電子系統(tǒng)被雷擊且損害的風險[3]。

2.4 防雷的接地設(shè)計

分析近年來風力發(fā)電機組的雷擊故障可以發(fā)現(xiàn)：其中超過70%為電子電器設(shè)備損害，其中大部分電子電器均為因為雷電流入接地系統(tǒng)中毀壞了電子電器，因為接地電阻過大致使地電位升高導(dǎo)致。當風力發(fā)電機組遭受雷擊時，因此接地電阻的數(shù)值越低時，雷擊過后產(chǎn)生的過電壓越小，縮短了雷電流引入大地的時間，高電壓維持的時間越短，同時解除的電壓與跨步電壓也相應(yīng)較小，保障了人員與設(shè)備的安全，可見在防雷接地設(shè)計時必須具備總體性。

風力發(fā)電機組的置，其原理為：風力發(fā)電機組的，如果在其周圍安裝環(huán)形的金屬裝置，相當于在風力發(fā)電機組底部設(shè)置了一個等電位面，這樣不但可以避免瞬間過電壓損壞風力發(fā)電機組電子電氣設(shè)備，同時還能預(yù)防跨步電壓損害工作人員。關(guān)于接地裝置的制作，一般在與風力發(fā)電機組基礎(chǔ)外緣距離超過5m 的位置設(shè)置一圈接地體，材質(zhì)援用熱鍍鋅，截面積不能小于60×6mm2，將其埋置在地下0.5m 以下，并保證其與基礎(chǔ)鋼筋連接點不低于4 處。假如風力發(fā)電機組塔基處的土壤電阻率較高時，接地電阻值不能達到工頻接地電阻＜4 歐以及沖擊接地電阻低于10 歐的要求，便需要沿下和朝外設(shè)置垂直的接地體和水平的接地體，同時應(yīng)用降阻劑對水平接地體進行包埋。風力發(fā)電機組的基礎(chǔ)和箱式變壓器應(yīng)用的是同一套防雷接地系統(tǒng)，其同時具備工作接地、安全接地以及防靜電接地[4]。

3 結(jié)語

綜上所述，風力發(fā)電機組作為一個整體系統(tǒng)，關(guān)于其雷電防護系統(tǒng)的設(shè)計必須綜合考量風力發(fā)電機組內(nèi)部組成部分的雷電防護，要從整體入手，結(jié)合各個結(jié)構(gòu)的需求設(shè)計防雷系統(tǒng)，如此才能達到滿意的防雷效果和經(jīng)濟效益，減少雷電對風力發(fā)電機組造成的危害，推動我國風力發(fā)電朝著可持續(xù)方向發(fā)展。