風電機組雷電防護問題探討

文|叢靜怡，李超，鄧星

據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)今在運行的風電機組已經(jīng)超過5 萬臺，平均每30 臺就有一臺因遭受雷擊而造成停機影響。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，風電機組的輪轂高度和葉輪長度一直在增加，被雷擊的風險也隨之加大。雷電作為自然界中對風電機組安全運行最大的一種安全隱患，應引起各方的重視。

云層間劇烈摩擦生電以及云塊切割磁力線，導致在云層上下層分別形成了帶正負電荷的帶電中心，運動過程中當異性帶電中心之間的空氣被其強大的電場擊穿時，就形成了放電。

風機設備防雷保護措施

風電機組的防雷應主要對葉片、機艙、塔架等通過采取綜合雷電防護包括接閃、分流、均壓、屏蔽、鉗位、接地等措施進行防護，將遭受雷擊造成的破壞減少到最小程度。

一、葉片

現(xiàn)代風電機組的葉片是由合成材料制成的巨大中空結(jié)構(gòu)。雷擊葉片的典型損害類型是合成材料的斷裂或燒毀，或者是作為雷擊點的金屬部件的發(fā)熱、融化。

葉片的防雷系統(tǒng)主要指葉片接閃器、葉片防雷引下線及葉根與輪轂的電氣連接裝置。葉片的防雷系統(tǒng)是否有效也主要看上述三個部件。（1）接閃器：接閃器是雷電的主動防護措施，以保護其它部位不被雷擊，它的攔截效率影響著風電機組的穩(wěn)定性。接閃器建議使用銅質(zhì)材料，根據(jù)IEC61400－24 的要求采用銅質(zhì)接閃器的最小面積為35mm2，僅有鋁的1/2，接閃器嵌入葉片內(nèi)，由于材質(zhì)的不同，導致葉片和接閃器結(jié)合在一起非常容易促使葉片產(chǎn)生分層現(xiàn)象，影響葉片強度，此外也應注意接閃器的清潔度，否則影響攔截效率。（2）葉片防雷引下線：一方面應保證引下線的導通率滿足要求，另一方面最好同樣選擇銅質(zhì)材料。（3）葉根動靜結(jié)合處的電氣連接可靠性，應在生產(chǎn)運行中定期檢查。

二、機艙

機艙的電源設備如主軸、齒輪箱、發(fā)電機等受雷電影響，相對于控制系統(tǒng)較小。機艙的防雷系統(tǒng)主要包括接閃器、屏蔽網(wǎng)、齒輪箱和發(fā)電機的防雷系統(tǒng)。機艙接閃器一方面可以保護位于機艙上方的風速風向儀，另一方面也能一定程度上防止雷電擊中機艙本體造成損壞。機艙屏蔽網(wǎng)一方面作為機艙接閃器的外延，另一方面可以屏蔽雷電電磁場，防止瞬態(tài)電磁場對機艙內(nèi)電子電氣設備造成干擾。在機艙內(nèi)，不與底盤連接的所有部件都與接地電纜相連，齒輪箱和發(fā)電機間的連結(jié)采用柔性絕緣連結(jié)，接地導線連接到機艙底盤的等電位體上,防止雷電流通過齒輪箱流經(jīng)發(fā)電機和發(fā)電機軸承。齒輪箱和發(fā)電機防雷系統(tǒng)的作用是將雷電流旁路，防止雷電流通過這些主要設備。

三、塔架

塔架本體為金屬結(jié)構(gòu)，是一個自然的雷電流泄流通道，但塔架一般為分段安裝，相鄰塔段之間存在絕緣油漆，因此需在相鄰塔段之間進行跨接，確保塔架的電氣貫通性（如圖1）。因為在運行過程中機艙相對于塔架是轉(zhuǎn)動的，因此機艙接地與塔架接地之間需要設置防雷碳刷和放電間隙等裝置。

四、風電機組接地網(wǎng)

風電機組接地網(wǎng)包括自然接地極和人工接地極兩部分。所謂自然接地極即是風電機組的鋼筋混凝土基礎，因其與土壤之間的良好接觸，所以它是一個天然的泄流通路；人工接地極則是為了進一步降低電阻而圍繞基礎輻射的專門接地體。一般又分為水平接地體和垂直接地體。一般風電機組接地網(wǎng)要求接地電阻值不得大于4Ω。

圖1 相鄰段的跨接部分

接地安裝

一、風電機組吊裝過程中的接地連接

在風電機組吊裝過程中接地連接最突出的問題就是接地連接的及時性。在風電機組葉片和輪轂的安裝過程中一定要保證葉根動靜結(jié)合處的電氣連接。在塔筒跨接連接時必須對接地端清理干凈，保證通流能力。最為關鍵的是在風電機組每節(jié)塔筒吊裝過程中在螺栓緊固時應及時完成接地連接，不應等風電機組全部完成吊裝后再進行接地連接。尤其是底層塔筒，由于比較繁瑣，往往吊裝單位未及時進行接地連接。其次，由于施工環(huán)境較為惡劣，塔筒內(nèi)無固定電源，無助爬措施，一線工作人員水平有限，為保證接地工程質(zhì)量，應對接地連接的可靠性進行排查，并進行接地電阻測試。

二、風電機組接地網(wǎng)施工

風電機組接地網(wǎng)尤其是人工接地極部分，存在問題較多。（1）一般這部分施工無專門的設計圖紙，往往一個風電場僅有幾種類型的圖紙，與現(xiàn)場實際情況不符的現(xiàn)象較為普遍，這導致了現(xiàn)場施工隨意性較大，如出現(xiàn)問題，無法查找位置，圖紙無價值。（2）接地防腐、焊接質(zhì)量較差，一般接地施工后測試電阻基本都可以滿足風電機組的要求，但是由于沿海地區(qū)，地下水腐蝕性較高，接地扁鐵防腐不到位，焊接部位工藝不過關等因素，導致無法做到接地與風電機組同壽命，或者接地性能降低，應定期進行接地電阻測試。而在實際施工中，由于自然環(huán)境變化大、條件惡劣，應設置多級保護電路。

總結(jié)

總之，雷電防護設計是一個系統(tǒng)工程，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)缺陷，均會導致整個防雷系統(tǒng)失效。在整個接地系統(tǒng)工程中涉及到設備廠家、風電機組安裝單位、風電機組接地施工單位，不應僅僅對最終接地電阻進行檢查，也應在建設過程中關注接地問題，保證接地質(zhì)量。一方面可以避免在施工過程中因接地未及時連接導致的人身或財產(chǎn)損失，一方面也可以保證風電機組的長期穩(wěn)定運行。