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

張鐵龍

(北京京能清潔能源電力股份有限公司西北分公司，寧夏 銀川 750000)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電作為新型節(jié)能發(fā)電技術(shù)，能有效滿足我國國民與有關(guān)行業(yè)對于電力的基本需求。為有效提升風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中的整體效率，防止其遭受雷電襲擊，就必須科學(xué)擬定防雷預(yù)案，及時(shí)改進(jìn)防雷技術(shù)?？茖W(xué)運(yùn)用有關(guān)技術(shù)手段可以有效降低雷電災(zāi)害產(chǎn)生的負(fù)面影響，為我國電力系統(tǒng)今后的安全及穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷擊特性

1.1 雷擊概率分析來源

發(fā)電機(jī)遭受雷擊之后，各部位遭受襲擊的實(shí)際概率差距較大，其中葉片遭受襲擊的概率在15%～20%，電氣系統(tǒng)遭受襲擊的概率在15%～25%，控制系統(tǒng)遭受襲擊的概率在40%～50%，發(fā)電機(jī)遭受襲擊的概率最小，只有5%。此外，機(jī)組的實(shí)際高度及長度同雷擊面積為正相關(guān)關(guān)系，與雷擊概率也成正比。與此同時(shí)，葉片長度與雷擊概率同樣是正比關(guān)系，當(dāng)葉片長度變長后，其遭受雷擊的概率也會上升。而且，同位于上方的葉片相比，位于兩側(cè)的葉片更易遭受雷擊。

1.2 雷電損壞機(jī)制

1.2.1 雷電途徑損壞機(jī)制

機(jī)組遭受雷電電流襲擊之后，部分電流會受引下線引領(lǐng)，傳輸至地面，而且不會產(chǎn)生任何負(fù)面影響與危害。然而，還有部分電流不會流入大地，會集中停留在所經(jīng)之處，進(jìn)而形成一個(gè)較大、復(fù)雜的突變磁場。此磁場會干擾發(fā)電機(jī)的正常、有序運(yùn)行，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組不能常規(guī)、穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2.2 雷電對槳葉的損壞機(jī)制

就整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言，槳葉所處位置最高，會直接裸露于高空中。即使其自身材質(zhì)較為特殊，在常規(guī)情況下不會輕易導(dǎo)電，但如果遭遇強(qiáng)大雷電襲擊就會產(chǎn)生多個(gè)導(dǎo)電路徑，而且還會因?yàn)槠溽尫啪薮竽芰?，?dǎo)致葉片的整體溫度急劇飆升，如果飆升溫度達(dá)到葉片原材料熔點(diǎn)值，再加上有關(guān)壓力作用，就會發(fā)生爆裂現(xiàn)象。

1.2.3 雷電對軸承的損壞機(jī)制

軸承屬于發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵組成部分，極易遭受雷電襲擊，如果雷電現(xiàn)象產(chǎn)生在軸承當(dāng)中，那么此雷電現(xiàn)象多半同軸承內(nèi)部中的導(dǎo)電路徑有關(guān)。筆者通過調(diào)查得知，雷電流傳輸至軸承當(dāng)中時(shí)一共有2個(gè)方向，一是軸承周圍上負(fù)載區(qū)內(nèi)部滾子同套圈接觸而形成的通路，二是軸承周圍上負(fù)載區(qū)內(nèi)部滾子同套圈間的短氣隙遭受電弧擊穿而形成的通路。如此一來，整體流程沿途所經(jīng)地區(qū)都會遭受相應(yīng)破壞。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的防雷改進(jìn)措施

筆者通過大量的調(diào)查得知，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備遭受雷電打擊進(jìn)而損壞的原因較為簡單。大多數(shù)都是因?yàn)槔纂娫斐扇~片整體溫度飆升，進(jìn)而使內(nèi)部磁場發(fā)生變化，導(dǎo)致物體被擊穿或是擊斷。所以，為有效防止風(fēng)力發(fā)電機(jī)遭受雷擊，最重要的就是讓電流安全通過，順利釋放入大地。就當(dāng)前主流防雷措施而言，主要有外部防雷措施及內(nèi)部防雷措施。

2.1 外部系統(tǒng)防雷

2.1.1 葉片、機(jī)航、塔架防雷

就電力發(fā)電設(shè)備自身而言，外部構(gòu)件由機(jī)航、葉片以及塔架組成，基于以上多種構(gòu)件做好防雷措施極為重要。雷電襲擊發(fā)電設(shè)備時(shí)，葉片會在溫度與膨脹氣體的作用下發(fā)生爆炸，情況嚴(yán)重時(shí)可能會燒毀整個(gè)設(shè)備。為有效防止類似現(xiàn)象發(fā)生，可在葉尖的頂部安放排水管，能使雷擊后產(chǎn)生的大量濕氣順利排出，防止氣體膨脹。除此之外，葉片自身帶有導(dǎo)電裝置，然而葉片遭受雷擊的概率不是由自身導(dǎo)電性決定的，雷電對設(shè)備的破壞程度是由葉片形式?jīng)Q定的。所以，還可在葉尖的頂部安放接閃器，此設(shè)備具有自身導(dǎo)電功能，能在葉片遭受雷電襲擊時(shí)迅速捕捉閃電，將雷電有序引入到大地，防止雷電給葉片帶來毀滅性打擊。與此同時(shí)，為防止風(fēng)速計(jì)或是燈標(biāo)遭受破壞，可在機(jī)艙頂部安放避雷針，選擇專用引下線把機(jī)艙與塔頂連接起來，此時(shí)發(fā)生雷電災(zāi)害時(shí)，電流就不會對其進(jìn)行破壞，而且還能將電流順利、有序引入至大地。

2.1.2 接地網(wǎng)

在我們的日常生活中，接地網(wǎng)是最常見的防雷電裝置，其工作原理是直接和大地相連接，將引導(dǎo)來的雷電輸送到安裝在地下的設(shè)備中，其中它能否將受到襲擊的雷電安全地引導(dǎo)到地下主要取決于接地性能的好壞。由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)本身的原因，一般在風(fēng)力發(fā)電的區(qū)域，相比于其他地方，這里的土壤都具有很高的電阻率，分散性也較其他地方強(qiáng)，所以通過使用降阻劑或者更換土壤來解決風(fēng)力發(fā)電的雷擊問題都不是可行的辦法。因此，只能選擇在離塔架0.5 m處搭建一個(gè)環(huán)形的銅質(zhì)導(dǎo)體與塔架相連接以達(dá)到防雷的目的。這一導(dǎo)體的各種詳細(xì)參數(shù)可根據(jù)不同的情況而定。需要注意的是垂直接地極的選用，最理想的是材質(zhì)是銅包鋼，數(shù)量要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，一般情況下都是12根左右為宜，在焊接于水平地極上時(shí)要注意分布均勻。

2.2 內(nèi)部系統(tǒng)防雷

2.2.1 等電位連接

同其余設(shè)備相比，風(fēng)速計(jì)與風(fēng)標(biāo)都極易遭受雷電襲擊，針對這一現(xiàn)象，可以選擇等電位連接法對其加以保護(hù)。要將避雷針與風(fēng)速計(jì)等設(shè)備連接起來，之后再將其與地面裝置相連接。除此之外，還能將地面裝置與機(jī)艙金屬設(shè)備連接起來，進(jìn)而有效提升防雷效果。

2.2.2 屏蔽隔離

避免雷電襲擊最行之有效的方法是屏幕隔離。其原理主要是通過光纖電纜來聯(lián)通地面和處理器，之后再通過屏幕隔離，使各工作元件之間的電磁耦合達(dá)到最小。除此之外，也可以使用直流電源分開供電，以確保處理器和傳感器之間的隔離效果。

2.2.3 引下線

防雷引下線和導(dǎo)體具有相同的功能，就是將雷電導(dǎo)入到地下去，進(jìn)而達(dá)到防雷電的目的。這是一種在目前最為常見的防雷技術(shù)。因?yàn)闉榱舜_保安全性，引下線必須和接閃器聯(lián)通，而且二者還需要與其他的地下裝置連接起來，所以，在防雷引下線應(yīng)用的實(shí)際運(yùn)行中，其過程是比較復(fù)雜的。為了達(dá)到更好的防雷效果，在選擇引下線設(shè)計(jì)材料時(shí)，可以優(yōu)先選擇風(fēng)電機(jī)組葉片的金屬網(wǎng)格和電機(jī)組葉片的邊角材料，同時(shí)要注意葉片表面的金屬導(dǎo)體是否具有足夠大的面積，如果面積不夠大，則可能因?yàn)椴荒艹惺苤睋衾椎挠绊懚鴮?dǎo)致防雷效果降低。除此之外，為了保護(hù)裝置的頂部結(jié)構(gòu)，還可以將離散接閃器安裝在葉片裝置的頂部。

2.2.4 過電壓保護(hù)

根據(jù)電磁兼容器的各不相同的兼容性和SPD原理，可以將B+C級SPD安裝于塔架底部的控制柜內(nèi)進(jìn)線處。目前，可以將連接通信的信號線路塔內(nèi)和機(jī)艙的控制柜這兩端的方法細(xì)分為2類：①對于光纖通信，可以通過光纖的金屬層來連接光纖線路塔與地面，以此方法將電流輸送向地面。②如果用的是金屬導(dǎo)線來連接地面，那么就可以通過增加信號系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)可靠接地。

3 結(jié)語

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日益普及，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的防雷工作也愈來愈顯得重要。風(fēng)力發(fā)電是一種清潔無污染的供能方式，為供電系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和節(jié)能減排的工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備易受雷電襲擊的問題，有關(guān)部門要做好防雷相關(guān)研究的工作。