淺談風(fēng)力發(fā)電場的防雷保護技術(shù)

吳梓源

1.引言

風(fēng)力發(fā)電是一種清潔的可再生能源。我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日漸發(fā)展，目前有四大風(fēng)力發(fā)電場：新疆達坂城風(fēng)力發(fā)電場，內(nèi)蒙古輝騰錫勒風(fēng)電場，浙江臨海括蒼山風(fēng)電場和甘肅酒泉千萬千瓦級風(fēng)電場。風(fēng)電場所處位置一般海拔比較高，所以遭受雷擊的可能性比普通發(fā)電廠大。在目前，風(fēng)力發(fā)電機組單機的容量不斷的增加，葉輪直徑以及輪轂的高度也隨之增加，雷擊風(fēng)險也被無形放大，一旦發(fā)生雷擊，雷電釋放出的能量不僅會造成發(fā)電機絕緣擊穿、發(fā)電機組葉片損毀、控制元器件燒毀等后果，還可能會造成工作人員的傷亡，因此，為了降低雷擊為風(fēng)力發(fā)電場帶來的影響，必須做好其防雷保護技術(shù)。

2.避雷器和引地線

一套完整的防雷裝置包括避雷器（針、線、網(wǎng)、帶），引下線和接地裝置。風(fēng)力發(fā)電機組安裝在塔架之上。塔架高度大多在20 m以上，容量愈大，塔架的高度越高幾十千瓦容量風(fēng)力機組的風(fēng)葉葉片直徑有10多米長，容量越大，葉片越長。

風(fēng)力機的葉片在風(fēng)力機中所處位置最高，伸出葉尖的金屬圓棒在設(shè)計風(fēng)力機防雷保護時可作為避雷器，雷電流由此引入。若葉片內(nèi)金屬導(dǎo)電體不伸出葉尖，就要另外設(shè)計一定高度的避雷器，以保護葉片不受雷擊，如風(fēng)力機的轉(zhuǎn)軸、機艙、塔架作為引下線，因此要求風(fēng)力機的葉片、轉(zhuǎn)軸、機艙和塔架有良好的通路把雷電流引入地下，風(fēng)力機的引下線要保持良好的通路關(guān)鍵是風(fēng)葉轉(zhuǎn)軸和機艙、機艙和塔架兩處轉(zhuǎn)動部分必須裝設(shè)電刷以短路軸承油膜，使雷電流暢通。

3.接地裝置

防雷接地的目的是減小雷電流通過接地裝置的地電位升高。從物理過程看，防雷接地與保護接地和工體接地有兩點區(qū)別：一是雷電流的幅值大，二是雷電流的等值頻率高。雷電流的幅值大，就會使地中電流密度ξ增大，因而提高了土壤中的電場強度（E=ξp），在接地體附近尤為顯著。若此電場強度超過土壤擊穿強度時，在接地體周圍的土壤中便會發(fā)生局部火花放電，使土壤導(dǎo)電性增大，接地電阻減小、因此，同一接地裝置在幅值較高的沖擊電流作用下，其接地電阻要小于工頻電流下的數(shù)值。這種效應(yīng)為火花效應(yīng)。另一方面，雷電流的等值頻率較高，使接地體自身電感的影響增加，阻礙電流向接地體遠端流通，對于長度長的接地體這種影響更加明顯，結(jié)果會使接地體得不到充分利用，使接地裝置的電阻值大于工頻接地裝置阻值。這種現(xiàn)象稱為電感影響。

4.外部（直擊雷）保護設(shè)計

4.1.葉片

葉片的葉尖部分處于整個風(fēng)機的最高點，因而是最易遭受雷擊的部件。雷擊造成葉片損壞的機理是：雷電釋放巨大能量，使葉片結(jié)構(gòu)溫度急劇升高，分解氣體高溫膨脹，壓力上升造成爆裂破壞。丹麥LM公司研究表明：不管葉片是用木頭或玻璃纖維制成，或是葉片包導(dǎo)電體，雷電導(dǎo)致?lián)p害的范圍取決于葉片的形式。葉片全絕緣并不減少被雷擊的危險，而且會增加損害的次數(shù)。其研究還表明：多數(shù)情況下被雷擊的區(qū)域在葉尖背面（或稱吸力面）。所以葉片防雷系統(tǒng)的主要目標是避免雷電直擊葉片本體，而導(dǎo)致葉片本身發(fā)熱膨脹、迸裂損害。

目前廣泛使用的有兩種葉片：一種是葉尖阻尼器結(jié)構(gòu)的葉片，另一種是無葉尖阻尼器的葉片（變槳距風(fēng)機及少效失速型風(fēng)機使用）。無葉尖阻尼器機構(gòu)的葉片由于無葉尖阻尼機構(gòu)，因而該型葉片防護方式實現(xiàn)起來較為簡單，即在葉尖部分將銅網(wǎng)布或盎屬導(dǎo)體。有葉尖阻尼器結(jié)構(gòu)的葉片設(shè)置了葉尖阻尼器的葉片，整個葉片分成了兩段，葉尖部分玻璃纖維聚酯層預(yù)置鑄鋁型芯作為避雷器，通過采用了碳纖維材料制成的阻尼器軸，與連接輪轂的葉尖阻尼器啟動鋼絲相連接，這種用于葉片的防雷保護系統(tǒng)。

4.2.機艙

現(xiàn)代大多數(shù)風(fēng)力機的機艙罩是用金屬板制成，這相當于一個法拉第罩，對機艙中的部件起到了良好的防雷保護作用，并且在機艙罩后部設(shè)置一高于風(fēng)速風(fēng)向儀的避雷針，用以保護風(fēng)速風(fēng)向儀，并保證即使風(fēng)機的機艙直接被雷擊時，雷電也會導(dǎo)向塔架而不會引起損壞。機艙罩及機艙內(nèi)的各部分件均通過50mm2銅導(dǎo)體與機艙底板連接，旋轉(zhuǎn)部分的輪轂通過碳刷經(jīng)銅導(dǎo)體與機艙底板連接，機艙底板通過偏航系統(tǒng)上的滑動環(huán)與塔架相連，以確保雷電流可以迅速導(dǎo)入塔架。

4.3.接地網(wǎng)

接地網(wǎng)包括 1 個 50 mm2 銅環(huán)導(dǎo)體，置在離基礎(chǔ) 1 m 地下 1 m 處；每隔一定距離打入地下鍍銅接地棒，作為銅導(dǎo)電環(huán)的補充；銅導(dǎo)電環(huán)連接到塔架 2 個相反位置，地面的控制器連接到連點之一。有的設(shè)計在銅環(huán)導(dǎo)體與塔基中間加上兩個環(huán)導(dǎo)體，使跨步電壓更加改善。如果風(fēng)機放置在高地電阻區(qū)域，地網(wǎng)將要延伸保證地電阻達到規(guī)范要求。一個有效的接地系統(tǒng)，應(yīng)保證雷電入地，為人員和動物提供最大限度的安全，以及保護風(fēng)機部件不受損壞。

5.內(nèi)部（過電壓）保護系統(tǒng)

5.1.等電位匯接

等電位匯接：將所有用電設(shè)備用導(dǎo)體直接相連，并與地連接形成大地與設(shè)備電位相等，電流不會對人體傷害。

風(fēng)速計和風(fēng)標與避雷針一起接地等電位；機艙的所有組件如主軸承、發(fā)電機、齒輪箱、液壓站等以合適尺寸的接地帶，連接到機艙主框作為等電位；地面開關(guān)盤框由一個封閉金屬盒，連接到地等電位。

5.2.隔離

為了更好的起到防雷作用，塔頂控制器以及機艙控制器中的通信部分應(yīng)該全部使用光纖進行連接，以便實現(xiàn)廣電隔離的效果，對于內(nèi)部的控制器和傳感器，要使用不同的電流進行供電，實現(xiàn)電源隔離的效果，對于重點電氣部分，要使用隔離變壓器進行供電。

5.3.過電壓保護

過電壓指峰值大于正常運行下最大穩(wěn)態(tài)電壓的相應(yīng)峰值的任何電壓。雷電過電壓屬于瞬態(tài)過電壓。

對于開關(guān)盤、發(fā)電機的電源線路要使用電源防雷器進行保護，在控制其信號電纜終端、模塊電子組件等部位時，要同時使用信號防雷保護對電源爐前進行防雷保護，防雷器的設(shè)計要嚴格的按照風(fēng)力發(fā)電機組電氣原理圖以及防雷分區(qū)的相關(guān)標準進行。

參考文獻：

[1] 林志遠，黃聰.風(fēng)力發(fā)電機組的防雷問題[J].廣東電力，2001，（10）：15—18.

[2] 邢作霞，陳雷，姚興佳.大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機的防雷保護[J].可再生能源，2004.3.

[3] 孫曙光，張德生，林明.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)防雷方案分析與探討[期刊論文].黑龍江科技信息，2010，2（25）.