風(fēng)電機(jī)組防雷系統(tǒng)及其維護(hù)

王欣天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院

風(fēng)電機(jī)組防雷系統(tǒng)及其維護(hù)

王欣
天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院

摘要：近年來(lái)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日新月異，全球建設(shè)的風(fēng)電場(chǎng)，其規(guī)模也是在逐漸擴(kuò)大，與此同時(shí)，單機(jī)容量也在快速提高，使得風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行安全問(wèn)題越來(lái)越受到重視。目前，我國(guó)已在沿海地區(qū)建設(shè)了大型風(fēng)電場(chǎng)，其中最高的部件就是風(fēng)電機(jī)組的塔架，高度已超過(guò)120米。在使用的過(guò)程中，難免會(huì)遇到雷擊。本文結(jié)合風(fēng)電機(jī)組防雷的研究成果，對(duì)葉片防雷的重要性、防雷的要求以及防雷系統(tǒng)的維護(hù)進(jìn)行了較全面的闡述。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；雷擊；維護(hù)

風(fēng)電機(jī)組外部防雷系統(tǒng)主要由接閃器、雷電傳導(dǎo)系統(tǒng)和接地系統(tǒng)構(gòu)成，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的保護(hù)具有十分重要的意義。

一、風(fēng)電機(jī)組和葉片防雷的必要性

在中國(guó)的風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的起步階段，風(fēng)電場(chǎng)通常建設(shè)在西北部地區(qū)，因?yàn)檫@些地方一年之中發(fā)生雷電的情況比較少，從而建設(shè)中主要使用450kW級(jí)以下的風(fēng)電機(jī)組，這樣雷害的問(wèn)題就不會(huì)那么突出。目前風(fēng)電場(chǎng)中的雷害問(wèn)題日趨嚴(yán)重，主要是因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組的規(guī)模不斷大型化，風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)速度不斷提升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)的沿海地區(qū)和一些高海拔地區(qū)，一些風(fēng)電場(chǎng)已在建設(shè)中，也有一些已投入使用，其中塔架高度超過(guò)120m的風(fēng)電機(jī)組已成為風(fēng)電場(chǎng)中最高達(dá)的構(gòu)筑物，這也使得其最容易受到雷電的襲擊，其中葉片的防雷問(wèn)題尤為重要。

雷擊可以造成風(fēng)電機(jī)組的部分器件受到損害，通常分為直接雷擊和間接雷擊兩種，其中葉片損毀的都是直接雷擊造成的，而引發(fā)變壓器、變流器、發(fā)電機(jī)、SCADA電子系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和控制系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障的基本上是由于雷電感應(yīng)過(guò)電壓（雷電電磁脈沖）等間接雷擊造成的。在一些報(bào)道中，也會(huì)發(fā)現(xiàn)有液壓系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、齒輪箱等部位遭受雷擊損害的。在這些器件中，遭受雷害的概率較大的主要是由弱電器件組成的部分，例如傳感器、SCADA系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。雖然它們承受過(guò)電流和過(guò)電壓的能力較差，容易造成損害，但是維修相對(duì)比較便捷，而且由此產(chǎn)生的直接和間接的經(jīng)濟(jì)損失要比由于葉片損壞所造成的損失小得多。

葉片遭受雷擊問(wèn)題之所以越來(lái)越受到重視，主要是因?yàn)閮蓚€(gè)方面：

第一、經(jīng)濟(jì)方面，建在邊遠(yuǎn)地區(qū)或是海上的風(fēng)電機(jī)組，維修費(fèi)用高、物品運(yùn)輸困難、而由此造成風(fēng)電場(chǎng)停止運(yùn)作，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失也是巨大的。

第二、技術(shù)方面，由直接雷擊造成的葉片損壞，情況都比較嚴(yán)重，而且損毀的葉片也極難修復(fù)。

另外，像玻璃纖維增強(qiáng)塑料這種具有不傳導(dǎo)雷擊電流功能的復(fù)合材料是組成風(fēng)電機(jī)組風(fēng)葉的主要成分。這種類(lèi)型的防雷工作是必不可少的，如果不給葉片增加防護(hù)，那么只要被雷電擊中，葉片就會(huì)損壞。利用相同材料制成的機(jī)艙外殼，同樣要采取防直接雷擊的相關(guān)措施。

葉片受到雷擊的過(guò)程中，雷擊電流會(huì)通過(guò)輪轂、齒輪、槳距軸承、主軸軸承、發(fā)動(dòng)機(jī)軸承、偏航軸承、底座和塔架流入大地。雷擊電流流過(guò)軸承和齒輪，可以造成其部位的損壞，當(dāng)輪齒和齒輪之間、滾道和滾輪之間油潤(rùn)滑層存在時(shí)，雷擊造成的損傷更為嚴(yán)重。大量實(shí)驗(yàn)證明，位于雷電頻發(fā)地區(qū)的風(fēng)電機(jī)組，在它服務(wù)壽命期內(nèi)，都會(huì)遭到數(shù)次雷擊。因此，風(fēng)電機(jī)組的防雷必須引起人們的高度重視。常見(jiàn)風(fēng)電機(jī)組受雷擊損壞的不同部件占比情況如表1所示，修復(fù)費(fèi)用如表2所示。

表1　風(fēng)電機(jī)組受雷擊損壞不同部位所占份額（%）

表2　修復(fù)受雷擊損壞的費(fèi)用（%）

二、防雷要求

風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)機(jī)組，就好像是建設(shè)在空曠野地里的高大建筑物，這些建筑物數(shù)目較多，高度也都是超過(guò)100m，很容易遭受雷擊。這些構(gòu)筑物內(nèi)有復(fù)雜的電氣和控制設(shè)備，外部用復(fù)合材料制成，還有長(zhǎng)達(dá)60m的旋轉(zhuǎn)的葉片。

風(fēng)電機(jī)組的葉片長(zhǎng)度超過(guò)60m，且?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要是由導(dǎo)電性能不佳的增強(qiáng)型纖維復(fù)合材料制成。以水平軸風(fēng)電機(jī)組為例，這些葉片安裝在高塔上（高塔的高度超過(guò)100m），并且是垂直旋轉(zhuǎn)的，由于長(zhǎng)期暴露在直擊雷下，因此較一般建筑物的防雷工作更為復(fù)雜。

葉片務(wù)必加以保護(hù)，主要是因?yàn)樗秋L(fēng)電機(jī)組中最暴露的部分，也是最容易遭受雷擊的部件。對(duì)葉片的保護(hù)是否足夠，應(yīng)當(dāng)看其設(shè)計(jì)和安置葉片接閃器后能否有效的截獲雷電，以及導(dǎo)流系統(tǒng)能否疏導(dǎo)與Ⅰ類(lèi)防雷水平一致的雷電流。

雖然雷電可能襲擊葉片表面的大部分地方，但現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)證明大部分雷電還是擊中葉尖位置，只有少數(shù)擊中葉片的其他地方，所以接閃器一般都安裝在葉尖位置。為了既能防雷，又能降低成本，需要按照不同的風(fēng)電場(chǎng)雷電環(huán)境，設(shè)計(jì)葉片并進(jìn)行不同電流和電壓等級(jí)的試驗(yàn)，葉片制造商要在葉片設(shè)計(jì)室進(jìn)行接閃系統(tǒng)和導(dǎo)流系統(tǒng)截獲雷電和傳導(dǎo)雷電流的能力的試驗(yàn)。

風(fēng)電場(chǎng)之所以必須建立一個(gè)良好的接地系統(tǒng)，主要是因?yàn)?，接地系統(tǒng)可以用來(lái)保護(hù)牲畜和人員的安全、消散雷擊電流、防止風(fēng)電機(jī)組的損壞。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)電氣系統(tǒng)遭到破壞時(shí)，接地系統(tǒng)可以在防護(hù)設(shè)備動(dòng)作并安全切斷故障電流之前，將整個(gè)地電位提升到與同時(shí)出現(xiàn)的跨步電壓、接觸電壓一個(gè)安全水平。

三、防雷系統(tǒng)及其維護(hù)

葉片上的電氣設(shè)備主要是接閃器，接閃器是外部防雷系統(tǒng)的主要部件，同時(shí)也是風(fēng)電機(jī)組中的易損器件。經(jīng)過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)案列，不難發(fā)現(xiàn)，葉片被雷擊的部位，絕大部分在葉尖位置，只有較少的時(shí)候擊中葉片的其他部位。因此接閃器一般都安裝在葉尖。防雷系統(tǒng)就是要通過(guò)接地設(shè)備，將閃電流引入地下，即閃電流從葉片接閃器，經(jīng)過(guò)導(dǎo)線快速流過(guò)葉片、機(jī)艙，從而達(dá)到避雷器。這樣雷擊所產(chǎn)生的過(guò)電壓就會(huì)在傳導(dǎo)的過(guò)程中通過(guò)電離消耗掉，而不是在進(jìn)入葉片接閃器時(shí)放電。

雷擊屬于自然現(xiàn)象，我們無(wú)法控制，但是通過(guò)一些措施，可以減低葉片遭受的雷擊的次數(shù)。例如，定期清理葉尖部位的排水孔，保持干凈無(wú)雜質(zhì)、經(jīng)常檢查葉片的防雷系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)修復(fù)。這些措施都可以有效的保護(hù)葉片，延長(zhǎng)葉片的使用壽命。對(duì)于防雷系統(tǒng)，每年要進(jìn)行例行檢修，檢測(cè)接閃器截獲雷電的能力是否下降到設(shè)定值以下，傳導(dǎo)系統(tǒng)的傳導(dǎo)性能是否保持良好，接地系統(tǒng)的接地狀況是否良好。在遭受惡劣的雷電天氣后，要在外部條件許可后盡快對(duì)防雷系統(tǒng)的性能，尤其是葉尖接閃器進(jìn)行檢查。此外，由于接閃器屬于易損件，還要根據(jù)廠家的規(guī)定定期更換。