風電廠風機防雷技術發(fā)展研究

鄧橋

風電廠風機防雷技術發(fā)展研究

鄧橋

（中國大唐集團科學技術研究院有限公司西北電力試驗研究院，陜西 西安 710000）

風電機組的防雷技術對于風電廠安全穩(wěn)定地生產(chǎn)運營起著十分重要的作用。對風電廠風機防雷技術的現(xiàn)狀及問題進行了梳理分析，并提出了風機防雷技術的改進技術以及風機防雷技術的發(fā)展趨勢。

風電廠；機組防雷；防雷技術；存在問題

隨著新能源結(jié)構(gòu)調(diào)整戰(zhàn)略的實施，中國風電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入到快速發(fā)展階段。截至2017年，全國風電裝機總?cè)萘恳呀?jīng)超過1.8億kW，在全球居首位。隨著風電規(guī)模的日益擴大，風電生產(chǎn)運營的安全性和經(jīng)濟效益問題也成為風電企業(yè)及從業(yè)人員關注和研究的重要內(nèi)容。在風電生產(chǎn)運營中，雷擊導致的風機設備損壞是影響風電生產(chǎn)安全和經(jīng)濟效益的重要因素之一。為此針對風機防雷技術進行研究是十分必 要的。

1 風機雷擊故障概況

據(jù)IEC/TR統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在20世紀90年代歐洲地區(qū)大約每年有4%～8%的風力發(fā)電機組遭到雷擊。其中，受到雷擊的風電機組部位包括風俗風向儀、傳感器、變槳系統(tǒng)、塔筒、剎車系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、發(fā)電機、電氣系統(tǒng)、葉片等。雷擊對風電廠風機設備的破壞具有普遍性，其中葉片在所有設備部件中是最容易遭受雷擊損害的，其次是制動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)。

對于大型風力發(fā)電機組來說，雷擊故障規(guī)律的特征如下：①近年來中國風電廠的風機設備高度越來越高，漿液長度也越來越長。由于葉片是最容易遭受雷擊的部位，因此這種趨勢下中國風電廠風機受到雷擊的破壞性及所受到的經(jīng)濟影響更大。②風機裝機的地理位置大多是沿?；蛏巾?shù)瓤諘缥恢茫坏├妆┰七^境，對風機的擊中率很高。③風機雖然安裝了雷電防護裝置，但是相對于固定對象的防雷效果，因風機槳葉處于動態(tài)過程中，因此雷擊的情況更加復雜，防雷效果比固定對象的防雷效果差。

2 風機防雷技術現(xiàn)況及存在問題

2.1 風機防雷技術

目前，針對雷擊的風機防雷技術主要有直擊雷防護技術、等電位連接技術、接地技術、內(nèi)部過電壓保護技術、屏蔽技術。

直擊雷防護技術：通過對風機進行接閃技術設計，將閃電引入和接入地下，從而實現(xiàn)防雷目標。其中接閃的部位一部分是槳葉，還有一部分是風機機艙。風機常用的接閃方法是在槳葉表面安裝金屬圓盤，然后在槳葉內(nèi)部敷設一根金屬導體作為接閃引線連接槳葉表面金屬圓盤和槳葉根部。當閃電擊中槳葉表面時的金屬圓盤后，閃電電流沿著金屬導體傳導到風機自身金屬結(jié)構(gòu)，最后通過接地裝置釋放電流。除了以上的接閃方法，還可以采用在漿葉表面安裝金屬網(wǎng)的方式，技術原理是相同的。另外，風機機艙外部有金屬皮膚，有一定的厚度，這樣就能夠與槳葉表面的金屬圓盤或金屬網(wǎng)構(gòu)建起一個法拉第籠結(jié)構(gòu)，只要符合等電位連接的要求就能夠起到抵御雷擊的效果。為了避免風速風向儀遭受雷擊，可采用在風速風向桿上安裝避雷針的方法，風速風向桿與風機機艙底板連接，能夠起到傳輸雷電流的作用。

等電位連接技術：該技術又可以細分為兩種類型，一種是跨接位置相對固定的部件連接，如風速風向桿和風機機艙的連接、風機筒塔內(nèi)的法蘭跨連接、機艙配電柜等裝置與機艙金屬框架的連接；另一種是跨界位置相對運動的部件連接，如風機輪轂和風機機艙的連接、風機軸承與風機機艙的連接、風機輪轂與漿液的連接。前一種類型可采用銅編織導線進行連接，過渡電阻不超過0.03 Ω。后一種類型相對復雜，不僅不能影響部件之間的相對運動，還要實現(xiàn)防雷效果，保障高幅值電流從部位之間通過。通過在機艙內(nèi)部的軸承部位、齒輪箱部位以及機艙底座之間安裝絕緣層，防止雷電流串通。目前多采用建立模型的方法來保障電阻滿足防雷技術要求。

接地技術：電氣設備是風機遭受雷擊的重要部位之一，主要的原因是因雷電流接地過程中引起地電位瞬間上升，從而引發(fā)電氣設備故障。如果接地電阻過大，還會破壞避雷器，因此接地技術是風機防雷的重要技術之一。風機接地技術主要遵循電氣行業(yè)以及建筑行業(yè)的防雷設計規(guī)范和標準，根據(jù)其中的相關技術要求來確定接地電阻值范圍。接地技術中除了對風機接地電阻的數(shù)值范圍有要求以外，還要考慮電感和電容的分布情況。目前由于閃電電流的頻譜整體較高，因此在風機防雷設計中多采用接地系統(tǒng)暫態(tài)響應技術作為輔助。另外，在安裝接地裝置后，經(jīng)常會遇到土壤電離的情況，這會導致接地裝置的電氣特性更加復雜，可采用電磁分布仿真模擬技術，通過模擬所在區(qū)域內(nèi)的電磁場分布情況，為電機防雷設計和安裝提供依據(jù)。在技術設計和應用過程中，如果遇到接地電阻不能滿足技術規(guī)范要求的情況，技術人員可以考慮使用降阻劑來改善接地電阻。通過在水平接地極的周圍區(qū)域添加降阻劑，使周圍所在區(qū)域的土壤電阻系數(shù)降低，有利于降低土壤電阻。另外，在地質(zhì)條件允許的情況下，技術人員可采用深井法來降低接地電阻。深井的口徑為100～ 110 mm，深度為30 mm，用鋼管作為垂直接地電極，同時對土壤進行降阻劑灌漿處理，實現(xiàn)較好的接地降阻效果。沿海地區(qū)的接地裝備必須考慮防腐性能，可采用銅包鋼的方式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材作為接地地極，還可以對外露的金屬部位進行防腐涂層處理，避免設備腐蝕，縮減壽命。

內(nèi)部過電壓保護技術：因雷電效應產(chǎn)生的過電壓對風機內(nèi)部電氣線路或終端設備會造成破壞，因此采取內(nèi)部過電壓保護措施十分必要?？刹捎迷谳旊娋€路中安裝避雷器的辦法或者降低輸電桿塔接地電阻的辦法。研究人員對風電廠電纜集電系統(tǒng)的過電壓變化情況建立了分析模型，結(jié)果表明暫態(tài)過電壓的數(shù)值及變化情況與電感性負載有著密切關系。根據(jù)雷電擊中風機時對風機塔筒電路模擬模型的分析，得到風機塔筒內(nèi)部感應電場和磁場的分布情況，以此來優(yōu)化風機機組設備部件的安裝區(qū)域，盡量將機組內(nèi)敏感的電氣設備和元件安裝在雷電電場和磁場分布最弱的區(qū)域，以減少雷擊對這些敏感電氣設備的干擾和破壞。風機遭遇雷擊時，箱變的輸入和輸出端電位差異大，對此可采取電涌保護裝置來減弱或避免雷擊危害。

屏蔽技術：由于風機機組本身并不是完整的雷擊屏蔽體，因此機身上存在的孔洞或縫隙極容易引發(fā)風機塔筒和機艙內(nèi)部的電磁耦合現(xiàn)象，從而導致機艙內(nèi)部金屬回路內(nèi)形成感應過電流，對機身內(nèi)部設備造成損壞。對此可采用安裝屏蔽層的辦法，降低電路傳輸過程中的電磁感應過電壓和過電流，使感應過電壓變化由劇烈轉(zhuǎn)變?yōu)槠骄?，降低或避免對機艙內(nèi)部設備的損壞。

2.2 防雷技術存在的問題

雷電直擊的防護技術中，采用的方法是在風機槳葉表面安裝金屬圓盤或者金屬網(wǎng)，這種方式雖然能夠起到一定的防雷效果，但是由于風機槳葉的型號越來越大，而金屬圓盤或金屬網(wǎng)的面積較小，因此在實際應用中，會出現(xiàn)閃電不能準確集中槳葉表面金屬圓盤或金屬網(wǎng)的情況，此時槳葉仍然會受到雷擊損害。另外，由于槳葉存在動態(tài)旋轉(zhuǎn)特征，因此槳葉表面接閃的過程更加復雜，以動態(tài)的機理來進行防雷設計準確度不高。研究人員發(fā)現(xiàn)槳葉接閃器的形狀和風機槳葉葉片的旋轉(zhuǎn)都與槳葉葉尖的電荷分布情況有關，也影響接閃效果。研究人員建立了風機葉片接閃模型，希望通過建立模型得到槳葉葉片防雷效率的計算公式。目前，有研究人員發(fā)現(xiàn)當槳葉葉片接近水平方向時，雷電流幅值更小，葉片防雷效率更低，反之葉片防雷效率更高。因此在安裝接閃裝置時，同時調(diào)整葉片方向，以更好地提升防雷效率。另外，自然界的雷電流情況一般包含多次回擊過程，與實驗室使用的脈沖測試電流有差別，因此采取實驗室模擬雷擊條件仍然需要精細化。目前，國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了多脈沖發(fā)生裝置，用以模擬多脈沖自然閃電，這給風機防雷技術測試帶來了福音。

3 風機防雷技術發(fā)展

隨著風機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，風機防雷技術也進入更深入和精細化的研究階段。從以往的實驗室模擬雷電的研究方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐巴獾娘L機防雷實驗。通過建立野外雷電試驗基地，研究風機遭遇雷擊的電壓、電流、電場、磁場情況。對風機防雷技術參數(shù)進行更精細的分析和研究。通過人工觸發(fā)閃電技術為風機防雷創(chuàng)建有利條件，使防雷試驗條件更接近自然雷電。另外，除了接閃的思路以外，主動避雷的思路也是風機防雷技術研究的一個重要方向。通過開發(fā)風機雷電預警系統(tǒng)，借助氣象預測技術、信息數(shù)據(jù)技術，根據(jù)風電機組所在區(qū)域的氣象變化信息來合理調(diào)控風機的啟閉，當雷暴云來臨時，風機停止，同時控制槳葉葉片位于不容易接閃的位置，降低風機遭受雷擊的概率。

4 結(jié)語

風電廠設備故障的誘因之一是遭受雷擊。為了更好地保障風機設備安全運行，采取科學合理的防雷技術十分必要。本文對風機防雷技術及發(fā)展情況進行了論述，旨在推動風機防雷技術水平提升，為風電廠安全高效運營創(chuàng)建良好條件。

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TM315；TM863

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.062

2095－6835（2021）01－0155－02

鄧橋（1987—），男，碩士研究生，工程師，電氣一次專責，研究方向為高電壓絕緣與雷電防護。

〔編輯：嚴麗琴〕