風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)研究

王巖 袁璇 梁鵬程 肖瓊

摘 ?要：文章闡述了風(fēng)力發(fā)電在全球及國(guó)內(nèi)的裝機(jī)情況，解析了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雷電防護(hù)的設(shè)計(jì)方法，指出了現(xiàn)行的一些雷電防護(hù)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，給出了改進(jìn)方案，并提出了風(fēng)場(chǎng)整體防雷和主動(dòng)避讓雷電的新思路。對(duì)于提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雷電防護(hù)的整體效果及經(jīng)濟(jì)性有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng);雷電防護(hù);防雷設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM614 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）35-0076-03

Abstract： This paper describes the installation of wind power in the world and in China， analyses components of lightning protection system for wind turbine， points out existing problems of some lightning protection， raises an improved scheme and puts forward a new idea of integral lightning protection as well as activelightning avoidance. It can be utilized for reference to improve the effect and economicof lightning protection in Wind power generation system.

Keywords： wind power generation system; lightning protection; lightning protection design

引言

風(fēng)能是一種取之不盡，用之不竭的可再生清潔能源，全世界的風(fēng)能儲(chǔ)量高達(dá)2.74×106GW，中國(guó)的風(fēng)能開發(fā)潛力也在2.5×103GW以上。近年來(lái)，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的提升，其成本也在不斷降低，全球的風(fēng)力發(fā)電增長(zhǎng)迅猛，我國(guó)的風(fēng)電行業(yè)更是獲得了跨越式的發(fā)展。截止2018年，全球風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到了6×102GW，其發(fā)電量滿足了世界電力需求的6%，我國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)容量為2.21×102GW，約占全球裝機(jī)容量的37%，位居世界第一。

為了充分的利用風(fēng)能，風(fēng)電機(jī)組多安裝在山坡、沙漠和海邊灘涂等風(fēng)力強(qiáng)大的開闊區(qū)域，而風(fēng)機(jī)又很高，如當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流機(jī)型2.5MW的風(fēng)機(jī)，其槳葉頂端高度達(dá)到了200m以上，且風(fēng)電機(jī)組附近鮮少有其他高大物體，因而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就成為周圍空間的制高點(diǎn)，易被雷電擊中，若防雷措施不力，則會(huì)造成重大的損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，德國(guó)每年由于雷電造成的風(fēng)電機(jī)組故障為8.0%，丹麥為3.9%，瑞典為5.8%，其中，德國(guó)因雷電造成的風(fēng)電機(jī)組損壞中，電氣電子控制系統(tǒng)的損壞占全部損壞的70%左右，主要原因是遭受雷擊后的電磁感應(yīng)產(chǎn)生的瞬間過(guò)電流和過(guò)電壓所導(dǎo)致，風(fēng)機(jī)葉片損壞占到全部損壞的20%左右[1]，主要原因是由雷電直擊造成的機(jī)械損壞和熱性灰化;中國(guó)氣象研究院對(duì)302個(gè)風(fēng)機(jī)雷擊案例的統(tǒng)計(jì)分析表明，電子電氣控制系統(tǒng)的損壞占總數(shù)的71%，而葉片損壞占28%左右[2]。風(fēng)機(jī)遭雷電損壞后，除了要花費(fèi)高昂的配件和更換維修費(fèi)用，還有停止發(fā)電造成的損失，經(jīng)濟(jì)損失巨大。長(zhǎng)此以往，有可能會(huì)影響到整個(gè)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因而，做好風(fēng)電場(chǎng)的防雷工作至關(guān)重要。

本文主要介紹風(fēng)電場(chǎng)常規(guī)的防雷設(shè)計(jì)、存在的問(wèn)題及解決方法，并探討雷電防護(hù)在技術(shù)發(fā)展方向的一些新思路。

1 風(fēng)電機(jī)組的防雷設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組的防雷設(shè)計(jì)主要包括接閃和引下、浪涌保護(hù)器的使用、等電位連接、防雷的接地設(shè)計(jì)等[3]。

1.1 風(fēng)機(jī)的接閃和引下

風(fēng)電機(jī)組中，風(fēng)機(jī)葉片的最高點(diǎn)即為風(fēng)機(jī)最高點(diǎn)，當(dāng)有雷暴發(fā)生時(shí)，其最易受到雷擊，如我國(guó)海南東方風(fēng)電場(chǎng)因雷擊造成的風(fēng)機(jī)葉片損壞率達(dá)高達(dá)5.56片/（百片·年）。現(xiàn)今風(fēng)機(jī)葉片的表面材料大多是玻璃纖維，其為絕緣體，若雷電擊中葉片時(shí)，無(wú)法將強(qiáng)大的雷電流迅速傳走，則雷電產(chǎn)生的強(qiáng)大的熱作用和機(jī)械作用將直接作用于葉片上而將其損壞，而葉片的維修費(fèi)用在所有的風(fēng)機(jī)雷電故障中又是最高的[4]。因而需要在葉片上安裝易于接閃、抗機(jī)械和熱損傷能力強(qiáng)，并易于拆卸的接閃器。

風(fēng)機(jī)葉片的接閃器一般是在葉片表面安裝若干組銅質(zhì)圓盤（直徑為150-200mm）或不銹鋼圓盤（直徑范圍為50-80cm），每組接閃圓盤是在葉片的正反兩面各安裝一只。為了保障葉片結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，接閃圓盤不能太多，一般來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)度小于25m的葉片，只在尖端安裝一組，葉片長(zhǎng)度每增加10m增加一組接閃圓盤。引下線是在葉片內(nèi)設(shè)一條金屬導(dǎo)線，把接閃盤和風(fēng)葉底部的輪轂連接起來(lái)。當(dāng)雷電襲來(lái)時(shí)，接閃圓盤接閃之后雷電流通過(guò)引線及輪轂將其傳到塔筒。塔筒的金屬結(jié)構(gòu)可充當(dāng)導(dǎo)體，將雷電流引入風(fēng)機(jī)的接地裝置散入大地。

但要注意的是，由于生產(chǎn)塔筒過(guò)程中在搭接時(shí)存在縫隙大和搭接面偏離等問(wèn)題，以塔筒做導(dǎo)體導(dǎo)雷在泄放雷電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象，因而沿塔筒搭接面導(dǎo)雷時(shí)，需使用較大面積的電纜進(jìn)行跨接，另外還需加大壓接端子之間的接觸面積，加裝保護(hù)罩對(duì)可能產(chǎn)生的拉弧處進(jìn)行必要保護(hù)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)艙尾端處在與葉片相對(duì)應(yīng)的位置。當(dāng)雷電出現(xiàn)在機(jī)艙的尾端時(shí)，就會(huì)超出葉片防護(hù)區(qū)域，可能使機(jī)艙內(nèi)的電氣設(shè)施和設(shè)備被雷擊破壞，故而需要在其尾部設(shè)置一接閃短桿，再經(jīng)由引下線和接地裝置把雷電流引入地下進(jìn)行散流，從而起到防雷電的效果。

1.2 浪涌保護(hù)器的使用

浪涌保護(hù)器也叫防雷器，是一種為各種儀器儀表、通訊線路、電子設(shè)備等提供安全防護(hù)的電子裝置。它的作用原理是在極短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通分流，以避免浪涌對(duì)回路中儀表線路和設(shè)備的損害。

風(fēng)機(jī)若被雷電擊中，會(huì)在機(jī)組內(nèi)部產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁場(chǎng)，其通過(guò)線纜傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌性的過(guò)電壓和過(guò)電流[5]。現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部，均安裝有大量的電子和微電子集成設(shè)備，因而電子電器設(shè)備和系統(tǒng)很易被超高的浪涌電壓損壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了避免此種情況的出現(xiàn)，就必須使用浪涌保護(hù)器。浪涌保護(hù)器可以抑制因雷電引起的信號(hào)線路間、電源與接地的金屬管線之間的高電位差，能夠把進(jìn)入信號(hào)傳輸線和電力線的瞬時(shí)過(guò)電壓控制在其能承受的電壓范圍內(nèi)，同時(shí)把過(guò)大的雷電流泄流到大地，以防止設(shè)備和系統(tǒng)遭受破壞。

風(fēng)電機(jī)組的防雷應(yīng)根據(jù)GB50343標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定安裝合適的浪涌保護(hù)器，一般安裝三級(jí)浪涌保護(hù)器。

第一級(jí)浪涌保護(hù)器安裝在塔筒內(nèi)部的總進(jìn)出線處，其作用主要是將風(fēng)電機(jī)組遭遇雷擊后所產(chǎn)生的幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)伏的浪涌電壓降低到2500V-3000V，防止超高的浪涌電壓損壞風(fēng)電機(jī)組的電子電器設(shè)備。

第二級(jí)浪涌保護(hù)器一般安裝在分配電源處，主要針對(duì)第一級(jí)浪涌保護(hù)器的剩余電壓和區(qū)域中受到電磁感應(yīng)影響的設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。在第一級(jí)電涌保護(hù)器對(duì)直擊雷電的能量進(jìn)行吸收時(shí)，總有部分仍能損壞電子電器設(shè)備的能量殘存下來(lái)且可能損壞電子電器設(shè)備，這時(shí)，第二級(jí)浪涌保護(hù)器就能進(jìn)一步吸收這些能量，將浪涌電壓降低到1500-2000V。

第三級(jí)浪涌保護(hù)器安裝在塔筒內(nèi)部的信號(hào)控制系統(tǒng)處，主要是對(duì)雷電電磁脈沖和經(jīng)過(guò)第二級(jí)浪涌保護(hù)器的剩余雷擊能量加以防護(hù)，將剩余浪涌電壓降低到不超過(guò)1000V，以確保浪涌電壓不損壞設(shè)備。

1.3 風(fēng)電機(jī)組的等電位連接

為了防止風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部的設(shè)備和系統(tǒng)間在雷擊時(shí)出現(xiàn)危險(xiǎn)的電位差，在槳葉與輪轂間，輪轂與機(jī)艙間、機(jī)艙和塔筒間、尾舵和水平軸間、機(jī)艙內(nèi)和塔筒底部進(jìn)行等電位連接，以保證操作人員和線路及設(shè)備的安全。

槳葉與輪轂間，輪轂與機(jī)艙間、機(jī)艙和塔筒間、尾舵和水平軸間的等電位連接，是用螺栓連接法蘭、其他部分采用焊接和鉚接的方式進(jìn)行連接，最終將上述各部件連成一個(gè)電氣整體，以使雷電流快速的通過(guò)引下裝置進(jìn)入風(fēng)機(jī)的接地系統(tǒng)。連接時(shí)，所有的過(guò)度電阻不能超過(guò)0.03Ω。

機(jī)艙內(nèi)的等電位連接，是在機(jī)艙內(nèi)設(shè)置一個(gè)與機(jī)艙底座相連的總體等電位接地排，將各種金屬管、槽、機(jī)架、機(jī)柜、線纜的金屬屏蔽層、電子電器設(shè)備的金屬外殼、機(jī)艙的接閃引下線、電涌保護(hù)器的接地端等全部連接到總等電位接地端子板上;槳葉接閃引下線經(jīng)過(guò)金屬滑環(huán)連接到機(jī)艙底座上。此種連接方法，固然能減少設(shè)備和系統(tǒng)之間產(chǎn)生危險(xiǎn)電位差，但卻可能將部分雷電流引入機(jī)組電氣系統(tǒng)，造成補(bǔ)償電容器擊穿，可控硅損壞，嚴(yán)重時(shí)，可在母排間產(chǎn)生拉弧。

為了防止上述弊端的產(chǎn)生，可對(duì)機(jī)艙等電位連接方法進(jìn)行改進(jìn)，具體方法為：制作一個(gè)與機(jī)艙底座絕緣的機(jī)艙總電子電器設(shè)備等電位接地的端子板，用一根絕緣的銅芯PE線將機(jī)艙總等電位端子板和塔底接地裝置進(jìn)行連接，線纜的金屬屏蔽層、電泳保護(hù)器的接地端都連到該總接地端子板上，而各種金屬管、槽、機(jī)架、機(jī)柜、線纜的金屬屏蔽層、電子電器設(shè)備的金屬外殼、機(jī)艙的接閃引下線等連接到機(jī)艙的金屬底座上，槳葉接閃引下線經(jīng)過(guò)金屬滑環(huán)連接到機(jī)艙底座上。再用火花間隙型等電位連接器將機(jī)艙金屬底座和電子電氣設(shè)備總等電位接地端子板間連接起來(lái)。該法的好處是：將直擊雷電流散流路徑與機(jī)箱內(nèi)的感應(yīng)雷電流散流路徑用火花間隙等電位連接器隔離開來(lái)，當(dāng)直擊雷電流很大時(shí)，瞬間火花間隙等電位連接器就幾乎短路，使系統(tǒng)和設(shè)備間的電位差保持在很低的水平，雷電流則大部分順著PE線到達(dá)塔筒底部的接地裝置而被散放到大地，這樣就可大大減少發(fā)電機(jī)組的電子、電氣系統(tǒng)被雷擊損壞的概率[6]。

機(jī)組塔筒底部的等電位連接是在塔筒的底部設(shè)置一個(gè)塔底總等電位接地端子排，將其用銅芯電纜與風(fēng)機(jī)的環(huán)形地網(wǎng)連接在一起，銅芯線纜通過(guò)塔筒基礎(chǔ)時(shí)，要與其內(nèi)的鋼筋絕緣。塔筒底部的機(jī)架、機(jī)柜、線纜的金屬屏蔽層、所有電子電器的金屬外殼、浪涌保護(hù)器的接地端等都連接到塔底的總等電位接地端子板上，機(jī)組的各控制柜和電子電器設(shè)備的箱體均用獨(dú)立的接地線以最短的距離連接到塔底的總等電位接地排上。

1.4 防雷的接地設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)的雷擊故障中，電子電器設(shè)備的損壞占70%以上，而多數(shù)電子電器的損壞是因?yàn)槔纂娏鬟M(jìn)入接地系統(tǒng)時(shí)，由于接地電阻過(guò)高造成地電位抬升所引起。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組被雷電擊中時(shí)，接地裝置需要將雷電流快速安全的引入大地，而此時(shí)，接地電阻的數(shù)值越小，則由雷電產(chǎn)生的過(guò)電壓就越低，雷電流進(jìn)入大地的速度越快，高電壓持續(xù)的時(shí)間也越短，其接觸電壓和跨步電壓也比較小，從而有利于人員和設(shè)備的安全，接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須有總體性。

風(fēng)機(jī)的接地裝置一般是在塔筒基礎(chǔ)周圍設(shè)置環(huán)形接地裝置[7]，這是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)位的底部結(jié)構(gòu)是一個(gè)由金屬材料構(gòu)成的大型籠體，若在其周邊設(shè)置環(huán)形金屬裝置，等于在風(fēng)機(jī)位周圍設(shè)置了一個(gè)等電位面，既可以防止瞬間過(guò)電壓造成的風(fēng)機(jī)電子電器設(shè)備的損壞，還可以防止跨步電壓造成的人員傷害。接地裝置的制作通常是在距風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)外緣超過(guò)5m處設(shè)置一圈由截面積不小于60×6mm2的熱鍍鋅扁鋼制作的接地體，環(huán)形接地體一般埋置在地下0.5m以下，此環(huán)形接地裝置和基礎(chǔ)鋼筋進(jìn)行至少四處的連接。如果風(fēng)機(jī)塔基處土壤的電阻率較高，接地電阻值則達(dá)不到工頻接地電阻不超過(guò)4Ω，沖擊接地電阻不超過(guò)10Ω的要求，則需向下和向外敷設(shè)垂直接地體和水平接地體，同時(shí)使用降阻劑包埋水平接地體。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與箱式變壓器共同使用一套防雷接地系統(tǒng)，此接地系統(tǒng)同時(shí)作為安全接地、工作接地和防靜電接地;風(fēng)機(jī)接地體同塔筒的等電位壓環(huán)和風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的鋼筋相交點(diǎn)的連接必須可靠。

2 風(fēng)電機(jī)組防雷技術(shù)新思路

2.1 風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行整體防雷

風(fēng)電場(chǎng)的總體防雷指的是：依據(jù)雷擊電氣幾何模型理論和電場(chǎng)強(qiáng)度大的地方引雷能力強(qiáng)的特性，把風(fēng)電場(chǎng)作為一個(gè)整體，根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦?、地?shì)、氣象條件和風(fēng)電機(jī)組布局等情況，并考慮經(jīng)濟(jì)性，在風(fēng)電場(chǎng)易受到雷擊的位置設(shè)置若干個(gè)相互獨(dú)立的接閃針?biāo)?，?dāng)雷電靠近風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，由于風(fēng)電機(jī)組上電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)弱于獨(dú)立接閃針?biāo)斕帲褪沟美讚舭l(fā)生在接閃針?biāo)?，從而避免發(fā)電機(jī)組免受雷電破壞[8]。

2.2 主動(dòng)避讓雷電

加強(qiáng)雷電的預(yù)警，當(dāng)雨云進(jìn)入風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，風(fēng)機(jī)及時(shí)停止工作，并使風(fēng)機(jī)槳葉停在最不容易接閃的位置，如相對(duì)水平處，這樣就可以大大減小槳葉被雷電擊中的可能。因風(fēng)機(jī)在工作時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)較快，尤其是暴風(fēng)雨來(lái)臨時(shí)，其運(yùn)轉(zhuǎn)速度更快。運(yùn)轉(zhuǎn)中的風(fēng)機(jī)，第一易于接閃，第二葉片和機(jī)艙處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，不易導(dǎo)流，第三風(fēng)機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)和快速轉(zhuǎn)動(dòng)情況下被雷電擊中被破壞的程度差別極大，槳葉快速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其動(dòng)量和慣性都很大，遇上雷電強(qiáng)大的機(jī)械作用和熱作用，很可能將風(fēng)葉徹底破壞，而風(fēng)葉在靜止?fàn)顟B(tài)下接閃，則造成的破壞一般較小，修復(fù)容易，費(fèi)用較低。另外，在風(fēng)機(jī)遭遇雷擊時(shí)，及時(shí)地切斷電子電氣線路，也可防止雷電形成的過(guò)電壓通過(guò)線路傳到相鄰風(fēng)電機(jī)組，使其遭受損壞[9]。

2.3 接地體的選擇

我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)接地體使用的導(dǎo)體材料基本都是鍍鋅鋼，而國(guó)外廣泛使用的接地材料為銅和銅包鋼。據(jù)美國(guó)科學(xué)家在45年中對(duì)29個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地的研究結(jié)果表明：不同導(dǎo)體材料的金屬接地體的腐蝕情況差異較大。經(jīng)過(guò)10年后：銅和銅包鋼材料，接地體腐蝕的平均深度僅為1.13mils，平均每年的腐蝕深度為0.11mils，僅出現(xiàn)了輕微腐蝕;而鍍鋅鋼，其腐蝕深度高達(dá)3.50mils，平均每年的腐蝕深度為0.35mils，且有腐蝕點(diǎn)出現(xiàn)在了鍍鋅層下面的鋼上，呈現(xiàn)出嚴(yán)重腐蝕。在風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模和單機(jī)發(fā)電量都日趨增大的情況下，其投資很大，要求風(fēng)電機(jī)有較長(zhǎng)的使用壽命，若因接地體過(guò)度腐蝕而使雷電泄流受阻從而造成風(fēng)機(jī)的雷電損壞，其損失將是難以承受的。因而風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家應(yīng)重視接地體材料的腐蝕問(wèn)題，尤其是土壤中含水分和電解質(zhì)較多的風(fēng)電場(chǎng)，因這些地方的土壤接地體更易受到腐蝕。

3 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)電場(chǎng)是一個(gè)整體，其防雷設(shè)計(jì)既需要考慮每個(gè)機(jī)組內(nèi)部的防雷，如槳葉、機(jī)艙、輪轂及電子電氣系統(tǒng)的防雷，又要有總體設(shè)計(jì)思路，這樣才能有更好的經(jīng)濟(jì)效益和防雷效果，另外還應(yīng)該認(rèn)識(shí)到科技是不斷發(fā)展的，只有把新的研究成果和技術(shù)不斷的應(yīng)用到風(fēng)電機(jī)組的防雷設(shè)計(jì)中，才能更有效地減少雷電造成的危害和損失，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的可持續(xù)發(fā)展。

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