风力发电机组防雷技术分析

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摘要：本文作者介绍了雷击造成的电力危害，从雷电发生的机理和雷击过程入手，对风电机组的防雷技术进行阐述分析。 关键词：风力发电机组 设计 浅析

风力发电机组是整个风力发电厂的核心装置，对我国电力系统的正常运行有着重要的影响。发电厂在制定生产计划时要注重发电机组控制器的防雷设计，从内部、外部等角度去综合考虑防雷结构安排，为发电机组创造良好的运行环境。雷电事故的处理效率对发电厂的经济效益、生产秩序、设备运行都有着很大的影响。

一、雷击造成的电力危害

1.降低效益。从当前电力行业的发展状况看，自然界雷击问题给风力发电机组带来的危害表现在安全生产上，如：设备安全、人员安全等，这些都给电力企业造成了较大的经济损失。此外，在设备维修上也会增加风力发电的成本，不利于电力企业长期的电能生产运行。

2.损坏设备。风力发电机组遭受外在雷击之后，最直接的则是对整个设备造成强电流刺激。若雷击电流过小，则一般只会对机组表面轻微损坏；若雷击电流过大，则容易破坏发电机组内部的线路连接情况，阻碍了机组的正常运行而破坏电力系统的正常性能发挥。

3.意外事故。安全生产是我国电力行业坚持的理念准则，但由于风力发电机组是野外作业，在运行期间电力人员会对发电机组进行维修处理，若受到雷电袭击很容易造成人员意外事故。此外，风力发电机组受到雷击破坏后整体性能下降，给安全生产也买下了隐患。

4.影响供电。电能是社会正常运行不可缺少的能源之一，是现代社会主义可持续发展的前提条件。雷击对发电厂造成损坏之后，电厂的电能生产则会中断一定的时间。此时会影响到电厂对城市或企业的正常供电秩序，给用电企业造成经济损失，对城市居民的正常生活也带来不便。

二、雷击损坏机理

随着人们对可再生能源利用价值认识的提高，以及风电机组制造、控制和其它相关技术的不断进步，风力发电在近十几年来的发展非常迅速，风力发电机组的单机容量越来越大，一台风力发电机组的价值巨大，价格往往占到总工程造价的60%以上，因此风电场的安全运行问题也越来越受到人们的关注，为了吸收更多能量，轮毂高度和叶轮直径随着增高，风力发电机通常位于开阔的区域，所以整个风机是暴露在直接雷击的威胁之下，被雷电直接击中的概率是与该物体的高度的平方值成正比。兆瓦级风力发电机的叶片高度达到150m以上，因此风机的叶片部分特别容易被雷电击中。

雷电现象是带异性电荷的雷云间或是带电荷雷云与大地间的放电现象。风电机组遭受雷击的过程实际上就是带电雷云与风电机组间的放电。在所有雷击放电形式中，雷云对大地的正极性放电或大地对雷云的负极性放电具有较大的电流和较高的能量。雷击保护最关注的是每一次雷击放电的电流波形和雷电参数。雷电参数包括峰值电流、转移电荷及电流陡度等。风电机组遭受雷击损坏的机理与这些参数密切相关。

1.峰值电流。当雷电流流过被击物时，会导致被击物温度的升高，风电机组叶片的损坏在很多情况下与此热效应有关。热效应从根本上来说与雷击放电所包含的能量有关，其中峰值电流起到很大的作用。当雷电流流过被击物时（如叶片中的导体）还可能产生很大的电磁力，电磁力的作用也有可能使其弯曲甚至断裂。另外，雷电流通道中可能出现电弧。电弧产生的膨胀过压与雷电流波形的积分有关，其燃弧过程中的强烈高温将对被击物产生极大的破坏。这也是导致许多风电机叶片损坏的主要原因。

2.转移电荷。物体遭受雷击时，大多数的电荷转移都发生在持续时间较长而幅值相对较低的雷电流过程中。这些持续时间较长的电流将在被击物表面产生局部金属熔化和灼蚀斑点。在雷电流路径上一旦形成电弧就会在发生电弧的地方出现灼蚀斑点，如果雷电流足够大还可能导致金属熔化。这是威胁风电机组轴承安全的一个潜在因素，因为在轴承的接触面上非常容易产生电弧，它就有可能将轴承熔焊在一起。即使不出现轴承熔焊现象，轴承中的灼蚀斑点也会加速其磨损，降低其使用寿命。

3.电流陡度。风电机组遭受雷击的过程中经常发生控制系统或电子器件的损坏，其主要原因是感应过电压的存在。感应过电压与雷电流的陡度密切相关，雷电流陡度越大，感应电压就越高。

三、防雷保护设计

现代防雷技术涉及到许多行业，其中有使用维护系统、设计施工系统、设备生产制造系统、防雷装置生产、检测系统等。从技术角度上看也是一系统工程。系统结构愈合理，系统的各个组成部分（或要素）之间的有机结合就越合理，相互之间的作用就越协调，才能使整个系统在总体上达到最佳的运行状态。

比如防雷设计首先要从被保护物所在地理、气象环境出发，要从被保护物的重要性和复杂性以及雷击的后果严重程度出发。在设计中要考虑现有的保护装置的有效利用，要与供电系统的型式、暴露程度，所有线缆的架设，设备自身的耐压水平，选用防雷装置的特性及其有机配合，以及装设后对设备的正常工作是否产生不允许的影响，雷击发生后的反应和自复能力等等复杂的因素进行综合考虑，当然，还应考虑投资与效益的关系。按照防雷保护分区的概念，一个综合防雷系统包括：①外部防雷保护系统：接闪器、引下线、接地系统。②内部防雷保护系统：防雷击等电位连接、电涌保护、屏蔽措施。

四、防雷接地

风力发电机组的特点是整机全部由大部件的钢构材料组成，如塔筒、发电机、齿轮箱、轴承等，当机组遭到直击雷时，整机电位瞬态抬升，雷电流通过叶片变桨轴承、轮毂、主轴到偏航齿轮、塔筒、基础环向大地泄放电荷，这时作为整机参考地面积最大的塔筒上将产生几千伏甚至上万伏的瞬态电压，如果整机中某部分的等电位工艺所采用接地线的阻抗不一致，则有可能造成阻抗较低端因高电位反击击穿造成设备损坏。

从防雷观点出发，风力发电机组宜设一共用接地体，即避雷针与塔架共用接地系统。接地体的布置一般可采用基础接地体或人工环形接地体。为了防止地电位反击，引下线与接地装置连接时，应连接到接地装置的边缘部分，形成共地不共线，机组接地电阻的大小直接影响机组在接闪后是否会造成地电位反击的重要参数。同样是遭雷击，接地电阻低的机组电控系统没有任何损坏；而接地电阻高的机组，大多造成电控设备的损坏。还有一些防雷公司将风场接地全部联合起来形成大地网，而实际情况确却是，当这个大地网上的某一机组遭雷击后，相邻机组由于接地电阻不同而受到地电位反击，此类事故在很多采用多机联合的风场中非常常见。

五、结束语

由于雷电现象具有非常大的随机性，因此不可能完全避免风电机组遭受雷击，只能在风电机组的设计、制造和安装过程中，采取防雷措施，使雷击造成的损失减到最小。

参考文献：

[1] 叶启明.大型风力发电机组系统结构与特点[J].大众用电，2009，（7）.