風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)防雷技術(shù)改進(jìn)分析

王金元

（國家電投集團(tuán)北京電力有限公司，北京 102300）

0 引 言

作為一種新型的節(jié)能技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在滿足人們對電力的需求等方面發(fā)揮了重要作用。但是這一技術(shù)在應(yīng)用的過程中容易受到雷電的襲擊，進(jìn)而直接影響了電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，為人們的生活和生產(chǎn)帶來不便。為了進(jìn)一步提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的使用效率，避免雷電災(zāi)害的襲擊，就要做好防雷技術(shù)。通過利用有效的技術(shù)手段規(guī)避雷電造成的不良影響，為提高電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性奠定良好的基礎(chǔ)。

1 雷電的來源及雷電對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的危害

1.1 雷電的來源

雷電是直接產(chǎn)生于大氣中的，在整個大氣環(huán)境中含有大量的氣體離子，包括正離子和負(fù)離子。這些正、負(fù)離子在大氣中攜帶微弱的導(dǎo)電性，進(jìn)而造成大氣電場、電流以及雷電的產(chǎn)生。一般雷電現(xiàn)象會比較頻繁地發(fā)生在較高建筑物、沿海及山地區(qū)域。風(fēng)力發(fā)電機(jī)為了更多地利用風(fēng)能，也是布置在山地和海邊這些比較空曠的地區(qū)，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)容易受到雷電的襲擊。

1.2 雷電的危害

風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于需要借助風(fēng)力獲得能源，因此需要建設(shè)于比較空曠的區(qū)域，并且這一設(shè)備本身攜帶的葉片更需要在比較高的空中才可以，因此也比較容易受到雷電的襲擊。當(dāng)受到雷電的襲擊時，設(shè)備中的葉片是主要的受襲擊區(qū)域，雷電損害的部位也主要是在葉片的尖頂部位，很少會使整個葉片都發(fā)生損壞。但是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的整個花費(fèi)都非常高，尤其是葉片這部分更是需要較高的成本費(fèi)用。當(dāng)受到雷電襲擊時，就需要及時維修或者更換新的設(shè)備，但是不論是維修還是更換都需要花費(fèi)一定的費(fèi)用。當(dāng)葉片受到雷電的襲擊時，會釋放出大量的能量，進(jìn)而導(dǎo)致整個葉片的溫度比較高，尤其是葉尖部分的溫度會急劇升高，雷電伴隨的雨水受到溫度的影響，也會產(chǎn)生氣化膨脹的現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生較大的機(jī)械力，使得葉尖的結(jié)構(gòu)破損。當(dāng)受到較為嚴(yán)重的雷電襲擊時，整個葉片都會損壞。由于這一襲擊造成的不良影響非常大，因此必須做好風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的防雷電技術(shù)，并且隨著科技的進(jìn)步不斷更新新的使用設(shè)備和使用技術(shù)，以維護(hù)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，為人們的正常用電提供保障。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷擊特性

2.1 雷擊部位

鑒于風(fēng)力發(fā)電機(jī)所處的位置容易造成各種不同現(xiàn)象的雷擊發(fā)生，對發(fā)電機(jī)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其主要受到襲擊的部位有槳葉、風(fēng)向桿、電氣系統(tǒng)，控制系統(tǒng)（軸承、機(jī)艙）及發(fā)電機(jī)。

2.2 雷擊概率分析來源

根據(jù)我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)長期的應(yīng)用資料以及國外相關(guān)的資料顯示，當(dāng)發(fā)電機(jī)受到雷擊時，其有關(guān)部件受到襲擊的概率分別為：葉片（15%～20%），電氣系統(tǒng)（15%～25%），控制系統(tǒng)（40%～50%），發(fā)電機(jī)（5%）。當(dāng)機(jī)組高度以及長度不斷增大時，其本身受到雷擊的面積也會增多，進(jìn)而受到雷擊的概率就會增加。同時，葉片的長度與受到雷擊的概率也有著正比例關(guān)系，葉片的長度增加，更為容易受到雷擊。當(dāng)一個葉片在正上方，其他兩個葉片分別位于兩側(cè)時會更容易受到雷擊，并且受到襲擊的概率是最大的。

2.3 雷電損壞機(jī)制

2.3.1 雷電途徑損壞機(jī)制

當(dāng)機(jī)組受到雷電電流的襲擊后，其中的一部分會受到引下線的引領(lǐng)，直接傳輸?shù)酱蟮?，并不會產(chǎn)生任何的危害。但是還有一部分并沒有直接流向大地，而是在所經(jīng)之處的區(qū)域產(chǎn)生了較為強(qiáng)大的突變磁場。這一磁場直接對發(fā)電機(jī)形成了干擾，進(jìn)而造成電氣設(shè)備的損壞，使得機(jī)組無法正常運(yùn)行。

2.3.2 雷電對槳葉的損壞機(jī)制

槳葉在整個電力設(shè)備中的位置是高的，其直接暴露于高空中。雖然其本身的材質(zhì)并不容易導(dǎo)電，但是在強(qiáng)大的雷電襲擊下也是會產(chǎn)生導(dǎo)電路徑，并在巨大能量的釋放下造成葉片溫度急劇升高，一旦這一溫度到達(dá)了葉片材料的熔點(diǎn)，在壓力上升的作用下，會直接造成爆裂破壞。

2.3.3 雷電對軸承的損壞機(jī)制

軸承作為發(fā)電機(jī)的重要組成部分，也比較容易受到雷電的襲擊，當(dāng)雷電產(chǎn)生于軸承中時，更多的是與軸承內(nèi)部的導(dǎo)電路徑相關(guān)的。雷電流在軸承中的方向一方面是向軸承圓周上負(fù)載區(qū)內(nèi)滾子與套圈相接觸所形成的通路，另一方面是流向軸承圓周上無負(fù)載區(qū)內(nèi)滾子與套圈之間的短氣隙在被電弧擊穿后形成的通路，這樣在整個流程的沿途都會造成相應(yīng)的損壞。

3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的防雷措施

分析當(dāng)前雷電引起的多起風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的損壞可知，其引起損壞的原因大部分都是雷電導(dǎo)致的葉片溫度升高，進(jìn)而產(chǎn)生內(nèi)部電磁場的變化，致使物體擊穿擊斷。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)避免受到雷擊的關(guān)鍵是要確保電流的安全通過，并且可以釋放的大地。防雷措施可分為外部防雷措施和內(nèi)部防雷措施。

3.1 外部系統(tǒng)防雷

3.1.1 葉片、機(jī)航、塔架防雷

電力發(fā)電設(shè)備在外部的主要構(gòu)件為葉片、塔架以及機(jī)航，做好這些構(gòu)件的防雷設(shè)施尤為重要。受到雷電襲擊時，葉片會因溫度的升高、內(nèi)部氣體膨脹而產(chǎn)生爆炸，嚴(yán)重時會造成整個設(shè)備的燒毀。為了避免這一現(xiàn)象，可以在葉尖頂部設(shè)置排水管，即可以將其受到雷擊后內(nèi)部產(chǎn)生的濕氣排出，避免了氣體的膨脹。此外，葉片本身是具有導(dǎo)電性的裝置，但是并不是本身的導(dǎo)電性越小而被雷電襲擊的可能性就越小，雷電對于整個設(shè)備的損害取決于葉片的形式。因此，可以在葉尖頂部安裝接閃器。這一設(shè)備具有導(dǎo)電的功能，可以在葉片受到襲擊時捕捉閃電，然后將這些雷電引入大地，避免了雷電直接對葉片造成的損害。此外，在機(jī)艙的頂部安裝避雷針是避免風(fēng)速計以及風(fēng)標(biāo)被損壞的重要措施，通過專門設(shè)置的引下線將機(jī)艙以及塔頂做好連接，雷擊發(fā)生時并不會被電流損壞，從而可以將雷電擊中的電流順利地引入到大地[1]。

3.1.2 接地網(wǎng)

接地網(wǎng)是經(jīng)常用于防雷電的裝置，是直接與大地相連，將雷電導(dǎo)入到地下的裝置，其接地的性能直接影響了其能否將受到襲擊的電流引入到地下。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)受到本身功能的影響，一般所處的區(qū)域的土壤具有較高電阻率，并且土壤的分散性強(qiáng)，因此不能通過降阻劑或者更換土壤等方法解決雷擊問題。只能選擇在塔架周圍放置一個與塔架相連接的銅質(zhì)環(huán)形導(dǎo)體。一般這一導(dǎo)體需要距離塔架0.5 m 處，其本身的半徑需要根據(jù)當(dāng)前的土壤環(huán)境等參數(shù)予以確定。需注意，對于垂直接地極的選用，最好是選擇銅包鋼的材質(zhì)，數(shù)量應(yīng)該具體情況確定，一般為8 ～16 根為宜，將他們均勻地焊接于水平接地極上[2]。

3.2 內(nèi)部系統(tǒng)防雷

3.2.1 等電位連接

風(fēng)速計和風(fēng)標(biāo)作為較容易受到雷電襲擊的部位，可以采取等電位連接的方法實現(xiàn)對其的保護(hù)。通過將避雷針和容易受到雷擊影響的風(fēng)速計等相聯(lián)系，然后與地面裝置實現(xiàn)連接即可。同時，還可以將機(jī)艙內(nèi)的金屬設(shè)備都實現(xiàn)與地面裝置的連接，以提高防雷的效果[3]。

3.2.2 屏蔽隔離

屏幕隔離是有效的避免雷電襲擊的方法。主要通過光纖電纜使處理器和地面之間實現(xiàn)聯(lián)系，然后利用屏蔽隔離的方法來降低元件之間的電磁耦合影響。同時，還可以利用分開供電的電源直流做好處理器和傳感器的隔離效果。通過長期的實驗以及應(yīng)用，這一方法可以有效確保信號的傳輸。

3.2.3 引下線

防雷引下線的作用相當(dāng)于導(dǎo)體，將雷電引入到地下，是一種較為常見的防雷技術(shù)。由于這一部分是與接閃器以及地下裝置相互連接的，因此其應(yīng)用的過程較為復(fù)雜。為了進(jìn)一步提高其防雷的效果，可以選擇風(fēng)電機(jī)組葉片中金屬網(wǎng)格、鋼絲與電機(jī)組葉片邊角作為引下線設(shè)計，且要求葉片表面金屬導(dǎo)體必須要具有足夠大的面積，以更大能力地承受直擊雷影響。對葉片的頂部安裝離散接閃器，實現(xiàn)對頂部結(jié)構(gòu)的保護(hù)。

3.2.4 過電壓保護(hù)

由于電磁兼容器具有不同的兼容性以及SPD 原理，可對塔架底部控制柜內(nèi)進(jìn)線安裝B+C 級SPD。對于通信信號線路塔筒到機(jī)艙控制柜的兩端，可以分為兩種方法。如果應(yīng)用的是光纖，就可以運(yùn)用光纖鎧裝金屬層來實現(xiàn)與地面的連接，將電流傳向大地。如果接地的是金屬導(dǎo)線，則可以選擇增設(shè)信號系統(tǒng)保護(hù)器，可靠接地。

4 結(jié) 論

做好風(fēng)力發(fā)電機(jī)的防雷技術(shù)已經(jīng)成為了人們面臨的重要問題。風(fēng)力發(fā)電機(jī)為滿足人們的正常生活和生產(chǎn)需求提供了方便，為保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行以及節(jié)能減排奠定了基礎(chǔ)，面對其容易受到雷電襲擊的危害，相關(guān)部門要做好防雷電設(shè)備的研究。