阿拉善盟風(fēng)力發(fā)電防雷技術(shù)淺談

張宏偉張宏閣伍澤之楊振華

阿拉善盟氣象局（阿拉善 750306）

阿拉善盟風(fēng)力發(fā)電防雷技術(shù)淺談

張宏偉張宏閣伍澤之楊振華

阿拉善盟氣象局（阿拉善 750306）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般安裝環(huán)境地勢(shì)開(kāi)闊，室外風(fēng)機(jī)主體較高，極易遭受雷擊。同時(shí)，室內(nèi)的各種電子控制設(shè)備極易遭受雷擊的侵害。本文從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組綜合防雷的角度出發(fā)，討論了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的直擊雷防護(hù)、接地、等電位連接和雷擊電磁脈沖防護(hù)等防雷基本措施，從而保障了工作人員生命財(cái)產(chǎn)安全和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全。

風(fēng)力 發(fā)電機(jī)組 防雷

近年來(lái)，隨著世界各國(guó)對(duì)可再生資源的關(guān)注，風(fēng)能的利用得到了高度的重視。伴隨而來(lái)的是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得的長(zhǎng)足進(jìn)步。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是目前最成熟的一項(xiàng)新能源技術(shù)。風(fēng)機(jī)一般都是暴露在自然的曠野之中，處于高雷擊環(huán)境，所以無(wú)法避免的會(huì)受到雷擊災(zāi)害，而且發(fā)電機(jī)組中有很多電子元件，雷電災(zāi)害對(duì)其的影響尤為巨大。

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量越來(lái)越大，為了更有效的利用風(fēng)力資源，葉輪直徑和風(fēng)塔高度也隨之增加，同時(shí)也增加了被雷擊的概率，雷擊就成了威脅風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的最大天敵。因此，必須得為風(fēng)機(jī)內(nèi)部的電子、電氣設(shè)備安裝可靠的防雷保護(hù)裝置。才能將設(shè)備的故障率及維修費(fèi)用降低，并且大大提高設(shè)備的正常運(yùn)行時(shí)間，為投資者帶來(lái)更大的回報(bào)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)無(wú)法避免的會(huì)遭受雷擊的影響，所以應(yīng)該在設(shè)計(jì)初期就做好相應(yīng)的防雷保護(hù)措施，防范于未然，減少日后的維護(hù)費(fèi)用。

1 風(fēng)力發(fā)電概述

1.1 阿拉善盟風(fēng)能資源概況

阿拉善高原地處亞洲大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，太平洋和印度洋潮濕空氣波及甚微，形成典型的大陸性氣候。其特點(diǎn)為降雨量稀少、日照強(qiáng)烈、冷熱巨變，加之地處高空西風(fēng)環(huán)流區(qū)，全盟多大風(fēng)天氣，尤其冬春大風(fēng)頻繁，年平均風(fēng)速3.5-5.0 m/s，風(fēng)力大、風(fēng)沙多是本地區(qū)的氣候特點(diǎn)，全年大風(fēng)日數(shù)10-108天。

風(fēng)能資源豐富，據(jù)初步估算約2.1億kW，占內(nèi)蒙古自治區(qū)風(fēng)能儲(chǔ)量的五分之一。年平均風(fēng)速3.65 m/s，風(fēng)速在3.0-6.0 m/s之間累積時(shí)數(shù)平均4 749 h，大于6.0 m/s的風(fēng)速累積時(shí)數(shù)平均1 620 h。阿拉善盟的風(fēng)速?gòu)臇|向西逐漸增大，其中額濟(jì)納旗的呼魯赤古特年平均風(fēng)速達(dá)5.0 m/s以上，其次是拐子湖、老東廟、吉柯德，阿拉善右旗的額肯呼都格年平均風(fēng)速4 m/s以上。北部地區(qū)為風(fēng)能資源豐富區(qū)，全年有效風(fēng)能儲(chǔ)量1 000-1 600 kw·h，全年最長(zhǎng)連續(xù)無(wú)效風(fēng)時(shí)數(shù)不到50 h。春季3-5月是全盟風(fēng)速最大的季節(jié)，平均風(fēng)速為4.0-5.8 m/s，呼魯赤古特、拐子湖、老東廟、吉柯德、巴音毛道、哈日敖日布格、上井子等地年平均大風(fēng)日數(shù)都超過(guò)50天。

目前，阿拉善盟已經(jīng)建成多個(gè)風(fēng)力發(fā)電廠，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展前景良好。

1.2 風(fēng)能和風(fēng)能發(fā)電的定義原理

風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)的動(dòng)能帶動(dòng)風(fēng)車(chē)葉片讓其旋轉(zhuǎn)，從而將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。同時(shí)，為了提高旋轉(zhuǎn)的速度，將葉輪的轉(zhuǎn)軸與增速機(jī)連接，通過(guò)轉(zhuǎn)軸來(lái)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而有效促使電機(jī)發(fā)電。根據(jù)當(dāng)前的風(fēng)車(chē)技術(shù)，以每秒三公尺的微風(fēng)速度就可以推動(dòng)發(fā)電。發(fā)電裝置又稱(chēng)為發(fā)電機(jī)組，大致可以劃分為風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)和鐵塔三部分，一般大型風(fēng)力發(fā)電站沒(méi)有尾舵，小型的才會(huì)有。風(fēng)輪是將風(fēng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的重要構(gòu)成部件，由兩只或兩支以上的螺旋槳性葉輪所組成。當(dāng)風(fēng)葉通過(guò)風(fēng)的吹動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)力，從而推動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。風(fēng)葉的材料要求強(qiáng)度要高、質(zhì)量要輕；為了解決風(fēng)輪所受風(fēng)力大小方向變化所帶來(lái)的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，必須增加一個(gè)調(diào)速機(jī)來(lái)提高風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，以確保其保持穩(wěn)定。同時(shí)，在風(fēng)輪后裝置風(fēng)標(biāo)尾舵，讓風(fēng)輪始終對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向獲取最大功率；風(fēng)輪、尾舵和發(fā)電機(jī)需要一個(gè)構(gòu)架支撐，鐵塔就是起到對(duì)這些部件的支撐作用。為了獲取一定強(qiáng)度和均勻的風(fēng)力，一般將鐵塔修建的比較高，其高度根據(jù)地面障礙物對(duì)風(fēng)速的影響及風(fēng)輪的直徑而定（見(jiàn)圖1）。

圖1 風(fēng)輪鐵塔高度確定示意圖

2 風(fēng)電機(jī)組綜合防雷保護(hù)系統(tǒng)

2.1 雷電對(duì)風(fēng)電機(jī)組的危害

風(fēng)機(jī)都是設(shè)立在曠野當(dāng)中，且高度較高，隨著高度的增加被直擊雷擊中的概率也相應(yīng)的增加，因此風(fēng)機(jī)是處在一個(gè)容易被雷電擊中的高危險(xiǎn)環(huán)境當(dāng)中的。目前國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)的最大容量已經(jīng)達(dá)到了5 MW，高度更是隨之增加，風(fēng)葉高度達(dá)到150 m以上，被雷擊的概率也是相應(yīng)的增加。在風(fēng)機(jī)內(nèi)有限空間內(nèi)集中了大量的電子、電氣設(shè)備，雷電帶來(lái)的強(qiáng)大電涌，無(wú)疑將給風(fēng)電機(jī)組帶來(lái)嚴(yán)重的破壞。

表1是瑞典、丹麥和德國(guó)此三國(guó)雷擊風(fēng)機(jī)事故的匯總表。從數(shù)據(jù)中我們可以看出，平均每100臺(tái)風(fēng)機(jī)每年因?yàn)槔讚羰鹿识斐傻膿p壞數(shù)量是3.9到8臺(tái)。

表1 雷擊損壞頻率表

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外因雷擊而損壞的風(fēng)機(jī)進(jìn)行分析后，我們發(fā)現(xiàn)：在被雷擊損壞的風(fēng)機(jī)中，控制系統(tǒng)部件被損壞率達(dá)到40-50%。

隨著防雷裝置在風(fēng)機(jī)中的廣泛采用，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受到雷擊引發(fā)事故的情況也在發(fā)生著改變。在舊的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中受到損壞的部件主要是控制系統(tǒng)，而在廣泛采用了防雷技術(shù)的新的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，受到雷電損害的部件主要是風(fēng)葉部分。所以從中可以看出風(fēng)機(jī)安裝了防雷保護(hù)裝置后，控制系統(tǒng)的損壞率明顯下降，說(shuō)明風(fēng)機(jī)的防雷保護(hù)已經(jīng)取得了很大的改善。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)在遭受雷擊損害后將無(wú)法運(yùn)行，后續(xù)的維修及分析，將持續(xù)一段時(shí)間。而在這段時(shí)間內(nèi)風(fēng)機(jī)將無(wú)法運(yùn)行，這對(duì)于投資者來(lái)說(shuō)將是很大的損失。所以將雷擊事故防范于未然，使發(fā)電機(jī)組能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的運(yùn)行才能給投資者帶來(lái)回報(bào)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外風(fēng)電的雷擊事故中我們可以分析得出，雷擊不僅會(huì)造成機(jī)械損壞，還常常會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)中的電子控制部分也造成損壞。所以說(shuō)雷電對(duì)風(fēng)機(jī)的影響，最主要依舊在于對(duì)電子、電氣設(shè)備的損壞上。采取合理的內(nèi)外部防雷裝置及措施來(lái)保護(hù)風(fēng)電顯得尤為重要。

2.2 接閃器

由于風(fēng)機(jī)的風(fēng)葉始終處于風(fēng)機(jī)的最高位置，所以風(fēng)葉是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上最容易受到雷擊的部件，對(duì)風(fēng)葉造成不可逆的機(jī)械損傷，在整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雷擊損壞維修成本中，它的損壞維修費(fèi)用所占額度最高。風(fēng)葉主要有玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GRP）、碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）、木質(zhì)、鋼和鋁等材料組成，其結(jié)構(gòu)常為外殼加內(nèi)梁的組合形式，由于所采用殼體材料的電阻率相當(dāng)高，材料本身在正常情況下是不易導(dǎo)電的，但在強(qiáng)大雷電流作用下就能夠產(chǎn)生導(dǎo)電路徑，從而產(chǎn)生高溫，燒毀風(fēng)葉表面材料，可能使風(fēng)葉出現(xiàn)裂痕，嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)葉斷裂。因此對(duì)風(fēng)葉預(yù)先安裝上接閃器，提供一個(gè)泄放雷電流的通道，讓其安全、可控的流入大地當(dāng)中。風(fēng)葉上安裝的接閃器可以用30×3.5 mm鍍鋅扁鋼作為連接帶連接到風(fēng)機(jī)中間部位。而機(jī)艙內(nèi)的滾珠軸承，將它兩端用放電間隙或者碳刷的方式連接起來(lái)，這樣就可以避免巨大的雷電流在通過(guò)軸承時(shí)引發(fā)的焊接效應(yīng)。通過(guò)在機(jī)艙頂部安裝避雷針的方式,保護(hù)其不會(huì)受到直接雷擊。

2.3 引下線

對(duì)于是金屬塔身的風(fēng)機(jī)，可以直接用其塔身作為引下線，不需再另行鋪設(shè)；而混凝土塔身的風(fēng)機(jī)，則需要在塔身采用內(nèi)安置引下線的辦法（引下線選材：鍍鋅扁鋼30*3.5 mm或者鍍鋅圓鋼φ8～10 mm）。

2.4 接地系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)的接地地網(wǎng)是由風(fēng)塔的塔基的接地極所提供，塔基的地網(wǎng)應(yīng)該和旁邊控制室的地網(wǎng)相連接起來(lái)，這樣就形成一個(gè)等電位連接帶，當(dāng)泄流雷擊電流時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生電位差，保障設(shè)備的安全。

地網(wǎng)可采用40×4 mm扁鋼沿塔基外圍敷設(shè)環(huán)形水平接地網(wǎng)，同時(shí)埋入φ25的圓鋼作為垂直接地體，垂直接地體埋設(shè)的間距為其長(zhǎng)度的2倍，并將垂直接地體于水平接地體相連共同組成接地網(wǎng)。塔身周邊每隔1 200 mm與接地網(wǎng)連接，同時(shí)與塔基混凝土內(nèi)鋼筋連接。

如接地電阻達(dá)不到要求，可采用如下方法改善：外引接地，使用降阻劑，深井接地。

2.5 防雷擊等電位連接

等電位鏈接在內(nèi)部防雷系統(tǒng)中占據(jù)著重要的地位，它能有效的減少部件之間存在的電位差。其原理是通過(guò)把所有導(dǎo)電的部分連接起來(lái)，達(dá)到一個(gè)相近的電位，從而降低電位差對(duì)電子、電氣設(shè)備的影響。在風(fēng)機(jī)的等電位連接系統(tǒng)中，我們應(yīng)該對(duì)信號(hào)、電源線路和金屬管線都進(jìn)行可靠的等電位連接，然后再通過(guò)浪涌保護(hù)器與主接地網(wǎng)連接起來(lái)。

2.6 電磁屏蔽系統(tǒng)

電磁屏蔽系統(tǒng)是為了減少電磁干擾的系統(tǒng)，由于風(fēng)機(jī)本身是個(gè)發(fā)電機(jī)，所以其機(jī)艙內(nèi)部的所有電子、電氣設(shè)備都應(yīng)該用金屬屏蔽罩罩起來(lái)。這些金屬屏蔽罩都應(yīng)該與等電位系統(tǒng)連接起來(lái)。

2.7 浪涌保護(hù)

根據(jù)浪涌保護(hù)器安裝的位置和風(fēng)機(jī)內(nèi)設(shè)備的不同，將風(fēng)機(jī)內(nèi)設(shè)備的浪涌保護(hù)分成7個(gè)部分，分別是：

（1）發(fā)電機(jī)的保護(hù)

（2）變壓器端的保護(hù)

（3）遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)的保護(hù)

（4）塔基控制柜的保護(hù)

（5）塔基變頻柜的保護(hù)

（6）輪轂變槳系統(tǒng)的保護(hù)

（7）機(jī)艙開(kāi)關(guān)柜的保護(hù)

從防雷保護(hù)區(qū)的LPZ0到LPZ1區(qū)的交界處必須安裝按照符合（10/350μs）波形測(cè)試的浪涌保護(hù)器或者較大通流量的保護(hù)器，它可以泄走大量的雷電過(guò)電壓而不會(huì)造成設(shè)備的損壞。

由于前面防雷保護(hù)區(qū)已經(jīng)泄流了大部分雷擊電流，流入后續(xù)區(qū)域的電流能力已經(jīng)明顯減小。在后續(xù)的保護(hù)區(qū)內(nèi)，一般選用殘壓較低的浪涌保護(hù)器（如8/20 μs波形的SPD），將剩余的雷電電流放進(jìn)大地中。3結(jié)語(yǔ)

我國(guó)是個(gè)風(fēng)電大國(guó)，從能源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電勢(shì)在必行。雷電災(zāi)害給風(fēng)力發(fā)電帶了諸多影響，采用合理適當(dāng)?shù)姆览状胧┲荒軠p少損失，只有更多新技術(shù)的突破和應(yīng)用才能對(duì)雷電進(jìn)行完全防護(hù)并加以利用。

總之，風(fēng)電以其豐富的資源、良好的環(huán)境效益和逐步降低的發(fā)電成本，必將成為21世紀(jì)中國(guó)重要的電源。

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云龍）