風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪防雷接地技改方案

汪希俐

摘要： 隨著機(jī)組的持續(xù)運(yùn)行，沿海地區(qū)的高溫潮濕的氣候，風(fēng)電機(jī)組的抗腐蝕性正經(jīng)受著驗(yàn)。本文針對高欄風(fēng)電場的氣候條件，針對風(fēng)機(jī)的接地系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、實(shí)測分析查找因，制定相應(yīng)對策，完成該風(fēng)電場的機(jī)組改造工作。

關(guān)鍵詞： 防雷接地;碳刷磨損;合金絲導(dǎo)電刷

【中圖分類號】TM862.1【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1674-3733（2020）15-0212-01

1引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性最重要的一個(gè)問題是葉片的防雷技術(shù)。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的高度的不斷增加，機(jī)組遭受雷擊的概率也會成正比增加。近年來，風(fēng)電機(jī)組的服役年限的增加，葉片雷擊損傷的故障越來越多。也就暴露出風(fēng)輪接地系統(tǒng)存在的問題。

可以認(rèn)為雷擊是一個(gè)電流源。目前紀(jì)錄到的單次雷擊電流最大值在 300kA左右。紀(jì)錄到的電荷轉(zhuǎn)移和比能的最大值分別為400C和 20MJ/Ω。在世界范圍，這些最大值發(fā)生的百分比極少。中等量值的雷電流峰值大約為30kA，轉(zhuǎn)移電荷和比能分別為5.2C和55kJ/Ω。此外，雷擊的電氣特性隨雷閃的類型和地理位置而變化。

2風(fēng)輪防雷系統(tǒng)

風(fēng)輪的防雷系統(tǒng)由接閃器（葉片尖部的接閃點(diǎn)）導(dǎo)流線-風(fēng)輪-主軸-塔架-基礎(chǔ)-接地網(wǎng)流入大地。當(dāng)雷電直接擊中接閃器，可通過上述的通道泄放入大地。

3問題描述與分析

近幾年，高欄風(fēng)電場葉片雷擊故障多發(fā)，葉尖雷擊開裂、雷擊穿孔、內(nèi)部碳化等;風(fēng)電場對近幾年來運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，葉片遭雷擊的年故障率占6%，給風(fēng)場帶來直接和間接的巨大經(jīng)濟(jì)損失，另外其維修成本高，故障停機(jī)時(shí)間長。現(xiàn)運(yùn)行的運(yùn)達(dá)750風(fēng)機(jī)所采用的風(fēng)輪與機(jī)艙底架之間的防雷接地是通過安裝在機(jī)艙前部主軸正下方的兩個(gè)接地碳刷（K14Z3）與風(fēng)輪鎖緊盤斜面相接觸來實(shí)現(xiàn)的，造成通過多年運(yùn)行分析，存在以下問題：

3.1接觸電阻太大，導(dǎo)電效果不好。分析認(rèn)為高欄風(fēng)電場經(jīng)常出現(xiàn)葉尖因雷擊損壞與該問題有很大關(guān)系。高欄風(fēng)電場所處位置為雷電多發(fā)區(qū)，風(fēng)輪和機(jī)艙是相對旋轉(zhuǎn)的，即使葉片防雷設(shè)計(jì)的很好，但傳導(dǎo)電流的系統(tǒng)（包括接閃器、導(dǎo)流線、連接器和轉(zhuǎn)動(dòng)部分的防雷碳刷）和接地系統(tǒng)的電阻過大使導(dǎo)流不暢，導(dǎo)致雷擊電流不能完全對地釋放產(chǎn)生熱量，從而造成葉尖的開裂等問題的發(fā)生。通過觀察發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致導(dǎo)電效果不好的主要原因有兩方面：

（1）因高欄風(fēng)電場所處地區(qū)空氣鹽霧比較嚴(yán)重，而該防雷接觸面又無法進(jìn)行任何防腐材料的涂抹，所以造成該接觸面銹蝕嚴(yán)重，接觸面與防雷碳刷之間形成銹蝕層后必然導(dǎo)致導(dǎo)電能力的下降及接觸面積的減小從而大大降低了導(dǎo)電性能;

風(fēng)輪鎖緊盤的斜面與接地碳刷的接觸面上嚴(yán)重銹蝕，形成一層氧化層，維護(hù)時(shí)進(jìn)行打磨后，仍然暴露在高溫潮濕的空氣中，短時(shí)間內(nèi)又形成氧化層，并且通過工作中觀察發(fā)現(xiàn)此情況在每一臺風(fēng)機(jī)上都是同樣存在的。

（2）碳刷磨損快，無法保證及時(shí)更換。因?yàn)榻佑|面氧化層的存在，使接觸面表面凸凹不平，導(dǎo)致接觸面光滑度下降，甚至出現(xiàn)類似銼刀，加速了接地碳刷的磨損，在日常工作中無法做到特別及時(shí)的對磨損失效的碳刷進(jìn)行更換，很大程度的導(dǎo)致單碳刷接觸運(yùn)行或無碳刷接觸運(yùn)行，從而進(jìn)一步降低了風(fēng)輪防雷接地電流釋放的能力。

3.2備件消耗多、人員工作量大。因該接觸面粗糙，碳刷磨損速度加快，導(dǎo)致每年要更換大量的碳刷及碳刷彈簧。同時(shí)登塔維修更換也增加了現(xiàn)場人員的工作量。

3.3安裝位置空間狹小，檢查、更換作業(yè)不便。因碳刷所安裝位置在機(jī)艙最前端并且是主軸的正下方，作業(yè)空間位置特別狹小加之碳刷引線螺栓銹蝕等原因?qū)е赂鼡Q、檢查時(shí)特別不方便

4解決方法

為有效解決以上問題，對風(fēng)輪防雷接地系統(tǒng)中的導(dǎo)電刷部分進(jìn)行技改。

4.1取消原防雷接地碳刷改用防雷合金絲導(dǎo)電刷，因?yàn)楹辖鸾z導(dǎo)電刷刷與旋轉(zhuǎn)部位間的接觸屬于多點(diǎn)的點(diǎn)接觸，對接觸表面光滑度要求不高，并且在旋轉(zhuǎn)過程中，導(dǎo)電刷合金絲會對接觸面有打磨作用，可以有效防止銹蝕層的積累與形成。

4.2自行設(shè)計(jì)制作導(dǎo)電刷支架，將安裝位置由主軸下方改到主軸上方便于安裝、檢查的位置，同時(shí)將接觸面由風(fēng)輪鎖緊盤斜面處改為主軸風(fēng)輪法蘭靠近主軸承一側(cè)的外表面上（如圖），對導(dǎo)電刷與機(jī)組主軸的接觸面處防腐層打磨2.0cm寬，保證導(dǎo)電刷金屬接觸良好，在主軸承端蓋側(cè)相鄰的兩顆螺栓固定導(dǎo)電刷支架。

5技改要求

5.1通過網(wǎng)上查找發(fā)現(xiàn)可以應(yīng)用與此的防雷合金絲刷外型尺寸、安裝孔位等不盡相同。材料選用導(dǎo)電性能良好而耐腐蝕的刷體，刷絲采用耐磨且導(dǎo)電性較好的合金絲;

5.2所需的電刷支架要待電刷確定后依據(jù)其數(shù)據(jù)及風(fēng)機(jī)上所測安裝位置數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，電刷固定螺栓也需要根據(jù)電刷安裝孔尺寸進(jìn)行采購。電刷支架和固定螺釘需用鍍鋅材料的。

5.2為增加導(dǎo)電性，需在電刷支架與機(jī)艙底架之間加裝兩根線徑10平方毫米接地導(dǎo)線，兩端壓接接線端子并鍍錫;

5.3考慮到高欄地區(qū)雷電頻繁，為能更好的導(dǎo)出雷電流，每臺風(fēng)機(jī)在同一支架上安裝兩支相同的導(dǎo)電刷。

6結(jié)束語

本文介紹了高欄風(fēng)電場的機(jī)組風(fēng)輪防雷接地系統(tǒng)存在的問題，并根據(jù)所發(fā)現(xiàn)的問題提出有效的解決方式，通過采用新型的刷體結(jié)構(gòu)，改進(jìn)安裝位置，徹底解決該電廠處于沿海區(qū)域，存在鹽霧及其他不利因素造成的防雷碳刷失效，造成葉片損壞的情況。通過近兩年的實(shí)際使用，改造效果良好，雷雨天氣未再出現(xiàn)葉尖遭雷擊損壞的情況，降低故障率，提升經(jīng)濟(jì)效益，該改造方案通過選取不同材質(zhì)、不同尺寸的刷體可應(yīng)用于600KW至4000KW現(xiàn)有各不同容量的雙饋、直驅(qū)、半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，能徹底有效的改善采用老式碳刷結(jié)構(gòu)的防雷系統(tǒng)存在的各種問題，現(xiàn)階段國內(nèi)3-5MW大功率機(jī)組部分葉片采取外部增加防雷碳刷的接地結(jié)構(gòu)，而普遍都采用老式碳刷的安裝方式，經(jīng)常出現(xiàn)刷體掉落導(dǎo)致的功能失效，且安裝位置位于輪轂根部1.5米左右，更換難度較大，也建議業(yè)內(nèi)同行采取類似的方式進(jìn)行整改，提高整體行業(yè)水平。

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