雷電對(duì)風(fēng)電機(jī)組的危害和預(yù)防性檢測(cè)研究

張大偉

摘 要：風(fēng)電機(jī)組一般都在空曠地帶且機(jī)位比較高，容易被雷擊。葉片尖作為機(jī)組的最高點(diǎn)，在葉片上都裝有接閃器，將雷電流用導(dǎo)線(xiàn)連接到輪轂，輪轂傳到主機(jī)，主機(jī)通過(guò)地線(xiàn)接到地面，從而將雷電流瀉入大地，避免風(fēng)電機(jī)組損壞，這就是風(fēng)機(jī)的防雷原理。如果防雷效果不好被雷擊中，有三點(diǎn)危害：容易引起火災(zāi)，風(fēng)機(jī)用的復(fù)合材料容易燃燒;有可能電壞主軸;損壞電控系統(tǒng)。所以，在多雷地區(qū)，風(fēng)電機(jī)組防雷的定期預(yù)防性檢測(cè)非常關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組;雷擊;防雷;檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）11-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.012

截至2020年年底，我國(guó)新增風(fēng)電裝機(jī)容量7 167萬(wàn)千瓦，我國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到281.72 GW。目前，我們國(guó)家大力發(fā)展清潔能源，作為新能源的主力，風(fēng)電機(jī)組的防雷形勢(shì)也非常嚴(yán)峻。

1 雷電的主要特點(diǎn)

由于雷電具有大電流和高電位的特點(diǎn)，因此能造成很大的危害，如圖1所示。雷電流放電電流大，幅值高達(dá)數(shù)十至數(shù)百千安;放電時(shí)間極短，大約只有50 μs～100 μs;波頭陡度高，可達(dá)50 kA/s，屬于高頻沖擊波。雷電感應(yīng)所產(chǎn)生的電壓高達(dá)300 kV～500 kV。直擊雷沖擊電壓高達(dá)MV級(jí)，放電時(shí)產(chǎn)生的溫度高達(dá)2 000 K[1]。

對(duì)于風(fēng)電機(jī)組而言，直接雷擊保護(hù)主要是針對(duì)葉片、機(jī)艙、塔架防雷，而間接雷擊保護(hù)主要是指過(guò)電壓保護(hù)和等電位連接。電氣系統(tǒng)防雷則主要是間接雷擊保護(hù)。雷電對(duì)風(fēng)電機(jī)組的威脅如圖1所示。

2 雷電的危害

雷電熱效應(yīng)：當(dāng)幾十安至幾千安（電流單位安培的簡(jiǎn)稱(chēng)）的強(qiáng)大雷電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在極短的時(shí)間內(nèi)將轉(zhuǎn)換成大量的熱能。雷擊點(diǎn)的發(fā)熱能量約為500 J～2 000 J，這一能量可以熔化體積為50 mm3～200 mm3的鋼。因此，在雷電通道中產(chǎn)生的高溫，往往會(huì)釀成火災(zāi)。

雷電機(jī)械效應(yīng)：由于雷電的熱效應(yīng)，將使雷電通道中木材纖維縫隙和其他結(jié)構(gòu)中間的縫隙里的空氣劇烈膨脹，同時(shí)使水分及其他物質(zhì)分解為氣體，因而在被雷擊物體內(nèi)部出現(xiàn)強(qiáng)大的機(jī)械壓力，致使被擊物體遭受?chē)?yán)重破壞或造成爆炸。被雷擊后開(kāi)裂的葉片如圖2所示。

雷電效應(yīng)：在雷電放電時(shí)，能產(chǎn)生高達(dá)數(shù)萬(wàn)伏，甚至數(shù)十萬(wàn)伏的沖擊電壓，足以燒毀電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)、變壓器、斷路器等電氣設(shè)備或?qū)⑤旊娋€(xiàn)路絕緣擊穿而發(fā)生短路，導(dǎo)致可燃、易燃、易爆物品著火和爆炸。

雷電電磁效應(yīng)：雷電具有很高的電壓和很大的電流，同時(shí)是在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的。在它周?chē)目臻g里，將產(chǎn)生強(qiáng)大的交變電磁場(chǎng)。不僅會(huì)使處在這一電磁場(chǎng)中的導(dǎo)體感應(yīng)出較大的電動(dòng)勢(shì)，并且還會(huì)在構(gòu)成閉合回路的金屬物中感應(yīng)電流。這時(shí)如果回路中有的地方接觸電阻較大，就會(huì)局部發(fā)熱或產(chǎn)生火花放電，這對(duì)于存放易燃、易爆物品的建筑物是非常危險(xiǎn)的。

3 雷電對(duì)風(fēng)力機(jī)組的影響

風(fēng)電機(jī)組是新能源開(kāi)發(fā)商投資的主要成本，占整個(gè)風(fēng)場(chǎng)建設(shè)投資總額的70 %左右。風(fēng)電機(jī)組一旦遭受雷擊，會(huì)引起風(fēng)力機(jī)電氣系統(tǒng)的過(guò)電壓。直擊雷可使風(fēng)機(jī)葉片遭到嚴(yán)重?fù)p毀，感應(yīng)雷還會(huì)讓發(fā)電機(jī)、變壓器、變流器等電氣設(shè)備和控制、通信、SCADA等電子系統(tǒng)遭到災(zāi)難性損壞[2]。

風(fēng)電機(jī)組的電氣和控制系統(tǒng)遭受電涌的途徑通常源于：

雷擊直接擊中風(fēng)機(jī)葉片或機(jī)艙等位置;

風(fēng)機(jī)葉片等位置出現(xiàn)的先導(dǎo);

雷電感應(yīng)產(chǎn)生的電涌過(guò)電壓（非直接雷擊形成的雷電電磁脈沖）。

雷擊風(fēng)電機(jī)組后，不僅會(huì)造成機(jī)組發(fā)電量損失，還可能會(huì)造成葉片開(kāi)裂或者火災(zāi)事故發(fā)生，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效益和企業(yè)形象。以雷擊更換葉片為例：一支葉片的成本約為50萬(wàn)元～60萬(wàn)元，運(yùn)輸成本+吊裝成本+廢棄物回收成本+更換新葉片成本，加起來(lái)達(dá)到200萬(wàn)元左右。雷擊已經(jīng)成為影響風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行、風(fēng)電場(chǎng)安全生產(chǎn)的危險(xiǎn)因素之一。

4 風(fēng)電機(jī)組防雷現(xiàn)狀

我國(guó)風(fēng)電最早的技術(shù)都是外來(lái)授權(quán)取得的。通過(guò)多年來(lái)的自主創(chuàng)新和技術(shù)融合，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)能力與國(guó)外的距離逐步縮短。但是，人們?cè)诜览最I(lǐng)域中可以發(fā)現(xiàn)，技術(shù)的進(jìn)步和升級(jí)速度仍不盡如人意。近三十年的風(fēng)電技術(shù)發(fā)展對(duì)防雷技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)并不明顯。風(fēng)電機(jī)組防雷必須注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

風(fēng)電機(jī)組的防雷設(shè)計(jì)不應(yīng)使用建筑物防雷設(shè)計(jì)模型。風(fēng)電機(jī)組的電氣結(jié)構(gòu)與建筑物完全不一樣，不應(yīng)沿用建筑物體系的三級(jí)防雷系統(tǒng)。

風(fēng)電機(jī)組的防雷保護(hù)模式，不宜采用建筑物的保障供電連續(xù)性的保護(hù)模式。風(fēng)電機(jī)組在野外遭受雷擊的概率高于普通建筑物，一旦電涌保護(hù)器前置熔斷器斷開(kāi)，機(jī)組失去防雷保護(hù)，將造成嚴(yán)重的后果。

葉片的接閃系統(tǒng)靜態(tài)雷電放電測(cè)試，不代表動(dòng)態(tài)復(fù)雜工況條件下的葉片接閃器有效接閃率，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷系統(tǒng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)上，不能完全聽(tīng)從國(guó)外企業(yè)制定的標(biāo)準(zhǔn)。

風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈急需專(zhuān)業(yè)防雷人才。目前，雖然大型整機(jī)企業(yè)都有專(zhuān)業(yè)的防雷技術(shù)人員，但是葉片防雷人員乃至電氣人員的配置相對(duì)較少，葉片的防雷設(shè)計(jì)能力較為薄弱。

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度看，由于我國(guó)風(fēng)電機(jī)組存量市場(chǎng)呈持續(xù)增長(zhǎng)狀態(tài)，在電價(jià)持續(xù)走低的背景下，機(jī)組電氣系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)的相關(guān)防雷問(wèn)題將成為業(yè)主的剛需。通過(guò)提高機(jī)組防雷能力，壓縮停電小時(shí)，能夠達(dá)到提質(zhì)增效、增加發(fā)電量的目的。

5 風(fēng)機(jī)防雷保護(hù)的設(shè)計(jì)

目前，風(fēng)電機(jī)組的防雷保護(hù)主要分為內(nèi)部保護(hù)和外部保護(hù)兩種。外部保護(hù)負(fù)責(zé)耗散直接雷擊造成的能量，防止風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生機(jī)械損壞和火災(zāi)，主要通過(guò)避雷針和接地系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。只有準(zhǔn)備良好并具有低電阻和低誘導(dǎo)效應(yīng)的接地才能盡快可能的耗散雷擊電流，電位差才會(huì)盡可能的低。內(nèi)部保護(hù)包括機(jī)艙內(nèi)部與傳感器和聚能處因直接或間接雷擊造成的雷電電磁脈沖所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)與電位差，旨在將過(guò)電壓降到最小，保護(hù)電子部件，并保護(hù)人們避免跨步電壓和接觸電壓?？梢?jiàn)，風(fēng)電機(jī)組的防雷保護(hù)，主要通過(guò)接地系統(tǒng)和過(guò)電壓保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

6 風(fēng)電機(jī)組防雷的預(yù)防性檢測(cè)

根據(jù)風(fēng)機(jī)防雷的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，加強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組的防雷裝置檢測(cè)可以有效地避免雷擊危害。加強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組的防雷裝置檢測(cè)，重點(diǎn)包括：風(fēng)電機(jī)組接地網(wǎng)接地電阻的測(cè)量，風(fēng)電機(jī)組各部位的連接過(guò)渡電阻的測(cè)試，風(fēng)電機(jī)組浪涌保護(hù)器SPD的性能測(cè)試等。風(fēng)機(jī)防雷接地路徑如圖3所示。

6.1 風(fēng)電機(jī)組接地電阻測(cè)量

風(fēng)機(jī)地網(wǎng)接地電阻的測(cè)試，單機(jī)工頻接地電阻值不應(yīng)大于10 Ω;接電阻測(cè)量應(yīng)在雨后連續(xù)3天晴天后進(jìn)行測(cè)量;測(cè)量前應(yīng)查看接地裝置的驗(yàn)收?qǐng)D紙，避免與接地網(wǎng)的施工方向重疊;一般宜對(duì)機(jī)組進(jìn)行至少兩個(gè)測(cè)向的接地電阻測(cè)試，接電阻值取各測(cè)向的平均值;檢測(cè)塔筒底部末端與接地扁鋼的連接，應(yīng)不大于0.24 Ω的要求。

風(fēng)機(jī)地網(wǎng)接地電阻的測(cè)試，除了對(duì)接地測(cè)試的方法有要求外，測(cè)試儀器的測(cè)量電流也盡量要大（規(guī)范要求不小于3 A，異頻45 HZ/55 Hz）。雖然風(fēng)機(jī)的地網(wǎng)達(dá)不到大地網(wǎng)的規(guī)模，但是地網(wǎng)周?chē)餐翣顩r較差，接地網(wǎng)中存在工作電流，會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生很大影響，為了提高測(cè)量質(zhì)量，需要增大測(cè)試電流[3]。

6.2 風(fēng)電機(jī)組各部位連接過(guò)渡電阻測(cè)量

雷電流經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)扇葉后，要通過(guò)風(fēng)機(jī)扇葉內(nèi)的接地線(xiàn)與槳轂連接;槳轂與主軸連接，再通過(guò)主軸碳刷與風(fēng)機(jī)偏航裝置連接;偏航裝置通過(guò)塔筒與風(fēng)機(jī)底座連接，才能泄放入地。

扇葉與槳轂之間的變槳電機(jī)，主軸碳刷與偏航裝置之間，偏航裝置與塔筒的連接為滑動(dòng)連接。這三處滑動(dòng)連接點(diǎn)的過(guò)渡電阻值的測(cè)量，是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備防雷檢測(cè)的重點(diǎn)。

其中，塔筒與塔筒、塔筒與基礎(chǔ)直接的連接靠的是重力，且每一節(jié)塔筒法蘭之間以及第一節(jié)塔筒法蘭與基礎(chǔ)環(huán)法蘭之間分別采用3條橫截面積為50 mm2的接地電纜跨接相連。該3條接地線(xiàn)纜在法蘭處呈120°均勻分布連接，以保證塔筒之間以及塔筒與基礎(chǔ)環(huán)之間的可靠電路連通而形成雷電流通道。一般情況下只要肉眼檢查其連接情況即可，如圖4所示。

對(duì)于風(fēng)機(jī)泄流通道的檢測(cè)要分段進(jìn)行，各段加測(cè)值分別記錄。只要這樣，才能發(fā)現(xiàn)接觸不良的部位。通過(guò)對(duì)不同部位檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析，才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。如果不分段進(jìn)行，一旦存在問(wèn)題，將不知道問(wèn)題所在，仍要分段排查。

通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)過(guò)渡電阻的測(cè)量，存在的隱患點(diǎn)有：

風(fēng)機(jī)扇葉葉尖與葉根之間的接地線(xiàn)斷裂，且該部位的檢測(cè)需要高空作業(yè)，采用吊籃或者蜘蛛人，危險(xiǎn)系數(shù)大，耗時(shí)長(zhǎng)，在檢測(cè)報(bào)價(jià)中要有所考慮。

碳刷與主軸之間的電氣連接最差，造成的原因有碳刷磨損嚴(yán)重，缺少維護(hù)更換，碳刷與主軸之間有油污，造成接觸不良等。其他連接部位的過(guò)渡電阻多在十幾毫歐之間。

因?yàn)槊颗_(tái)風(fēng)機(jī)都要通過(guò)光纜與升壓站內(nèi)的中控室通信，且光纖本身不導(dǎo)電，所以為了加強(qiáng)光纜的抗拉強(qiáng)度，光纜內(nèi)有一金屬加強(qiáng)芯。該金屬加強(qiáng)芯要做接地處理，否則會(huì)造成光纖熔斷的風(fēng)險(xiǎn)，在檢測(cè)中要加強(qiáng)檢測(cè)，不要忽視。

接地干線(xiàn)與基礎(chǔ)的接地通過(guò)——均壓環(huán)連接。接地干線(xiàn)多為銅纜，接地為熱鍍鋅扁鋼。在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，銅纜與均壓環(huán)的連接處多發(fā)生銹蝕，雖然有的涂油處理，但是連接過(guò)渡電阻過(guò)大，這是因?yàn)椴煌饘僦g的電化學(xué)腐蝕造成的。如果該處維護(hù)不到位，造成的直接后果就是過(guò)渡電阻值過(guò)大，影響雷電流泄放，在檢查過(guò)程中要重點(diǎn)關(guān)注。

6.3 風(fēng)電機(jī)組電涌保護(hù)器（SPD）定期檢查和性能檢測(cè)

由于電源SPD、信號(hào)SPD是對(duì)線(xiàn)路內(nèi)的雷電過(guò)電壓進(jìn)行限制的元器件，存在老化、損壞等風(fēng)險(xiǎn)。在季度巡檢時(shí)，要檢查風(fēng)電機(jī)組的浪涌保護(hù)器的外觀，電涌保護(hù)器表面應(yīng)平整、光潔、無(wú)劃傷、無(wú)裂痕和燒灼痕跡或變形，電涌保護(hù)器的標(biāo)示應(yīng)完整和清晰。

除了每年的常規(guī)檢測(cè)外，在雷雨季節(jié)也要加強(qiáng)日常巡查、維護(hù)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、及時(shí)更換，而不只是寄希望于每年的常規(guī)檢測(cè)。

由于電涌保護(hù)器運(yùn)行期間會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間工作或因處在惡劣環(huán)境中而老化，也可能引起性能下降、失效等故障，因此，應(yīng)定期進(jìn)行檢測(cè)，如測(cè)試結(jié)果表明電涌保護(hù)器劣化或狀態(tài)指示指出電涌保護(hù)器失效，應(yīng)及時(shí)更換。電涌保護(hù)器應(yīng)在國(guó)家認(rèn)可的檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，電涌保護(hù)器的性能要求和試驗(yàn)方法應(yīng)符合GBT 18802.1和GBT 18802.21的規(guī)定。電涌保護(hù)器的檢測(cè)要全面覆蓋，不能只是抽檢。同時(shí)，建立巡查記錄臺(tái)賬，在制度上保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

雷擊是影響風(fēng)電機(jī)組乃至整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行的因素之一。進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組防雷技術(shù)的研究是風(fēng)電研究領(lǐng)域中不可或缺的組成部分，它對(duì)保證風(fēng)電場(chǎng)的安全運(yùn)行具有重要的意義。隨著“十四五”規(guī)劃的頒布，風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量一定會(huì)不斷增長(zhǎng)。同時(shí)，新核準(zhǔn)的風(fēng)電項(xiàng)目逐步不再享受?chē)?guó)家補(bǔ)貼，風(fēng)電行業(yè)將迎來(lái)低電價(jià)時(shí)代，風(fēng)電投資回收周期變長(zhǎng)，只有加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)控制、降本增效，才能實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)增長(zhǎng)。所以，在日常工作中，做好風(fēng)電場(chǎng)防雷是風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)中最重要的一環(huán)。

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