浅析风电场防雷保护设计与措施
时间：2022-07-28 01:22:59
摘 要：由于风力发电场为获得最佳的风资源，机组一般都安装在周边无遮挡的野外开阔地带，容易遭受雷击。文章通过阐述雷击对风力发电机组造成的危害及其对雷电破坏机理的分析，提出相应的风力发电机组防雷保护设计理念及措施。
关键词：雷击；桨叶防雷；电涌保护器；接闪器；等电位
中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）33-0020-02
1 概 述
雷电时带电云层直接或通过地面物体对大地的瞬间放电现象。一次放电能量巨大。全球每年都会发生800多万次的雷电放电。雷击会造成地面的建筑物或人员的损伤。而风电场的风力发电机组大多安装在野外空旷地带，周围没有其他高大建筑物，更容易遭受雷击。因此，风力发电机组无论是从设计还是施工，或者到正常生产维护，都需要考虑如何防雷的问题。
2 雷电破坏机理
2.1 雷击热效应
由于雷电流很大，通过的时间又短，如果雷电击在树上或建筑物构件上，被雷击的物体瞬间将产生大量热量，又来不及散发，以致物体内部的水份大量变成蒸气，并迅速膨胀，产生巨大的爆炸力，造成破坏，称为热效应。根据有关的研究数据，雷击金属物体和非金属物体热量的产生可以由以下公式进行计算。
①金属物体产生的热量。
从以上两个公式中可以发现，无论是非金属还是金属物质都与电流的大小成正比，持续时间长将使得被击物体产生更高的热量。风电机组的桨叶主要由玻璃纤维或碳纤维增强塑料、木质、钢和铝等材料组成。在风电机组叶片遭雷击后，通常都可以发现叶片的接闪器有融化的现象，部分雷击严重的还会发现叶片玻璃纤维的过火痕迹。
2.2 雷电的机械效应
根据有关资料研究，雷电的机械效应表现为电磁力和内压力，根据电磁场理论，当两个导体的电流方向相反时候将会产生相斥力，所以雷电流通过时候如果存在弯曲的导线将会产生较大的电磁力，损坏电气设备。
一般认为，雷电对风电机组的破坏主要是内压力，当雷击桨叶时瞬间产生很高的热量，短时间散发不出去，导致桨叶的局部温度急剧上升，桨叶材料分解出的气体将迅速膨胀，在叶片内腔产生破坏性的爆炸力，使得叶片开裂。如果在叶片中有水珠，由于产生的蒸汽的作用这种膨胀将会产生更大的破坏力。接触不良的地方由于接触电阻增大，也会产生很大的内压力，产生的爆炸力甚至会将整个叶根撕裂，造成严重的损坏。
3 风电机组的防雷设计
桨叶主要由玻璃纤维，碳纤维增强塑料、木质、钢和铝等材料组成，其结构为外壳加支撑梁组合。大量的研究资料表明，全绝缘桨叶遭受雷击时比设置防雷装置的叶片造成的损害要大。因此，无论定桨距叶片还是变桨距叶片都应设置防雷装置。这种装置，实际上是引雷装置，是一种通过产生上行先导，有利于雷击发生。这一点上其作用又类似于避雷针，是在叶片遭受雷击时减少叶片损坏的一种措施，这种引雷装置也称为接闪器。接闪器一般为一个圆形的金属块，嵌在叶尖处。运行经验表明，顶部接闪器的使用对于20 m以内的叶片是有效的。但是对于很长的叶片，仅在顶部的一个接闪器很达不到很好的防雷效果。
一旦雷电流被导引到叶片的根部，那么就要有保证电流安全通过塔架外侧并接地的问题。必须使电流通过桨距、轴和偏航轴承而不危害发电机和在机舱中的敏感控制设备。风力机轴承可能因雷电流通过而损坏，通常大的、重载的轴承是不大可能突然损坏的，但它的工作寿命可能减少。目前还没有在大的轴承周围分流雷电流的有效方法，因为轴承本身是最低的自感应通道，因此对于高频雷电流是优先路径。控制和电气系统对雷电流的保护是根据是否有可能遭受直击雷及其电流的幅值大小，把风力发电机分成几个区，预期每个分区中的电磁场。在每个区域内，各个元件保护承受预期的雷电影响。
3.2 电气设备的防雷保护设计
3.2.1 电源系统的防雷保护
对于采用690 V/400 V的风电供电线路，要想防止沿低压电源侵入的浪涌过电压损坏设备，整个供电系统可采用三级保护原理，通过TN-S供电方式，使保护线PE与电源中性线N分离。这样由于各级保护器（一、二、三级分别采用防雷击电涌保护器、电涌保护器、终端设备保护器）的响应时间和放电能力不同，各级保护器之间相互配合使用。
3.2.2 控制柜内主控制器的防雷保护
PLC是控制系统的核心，且对电涌的抗击能力较弱，可在其变压器输出端并联防雷器。一旦有雷击发生时，防雷器将自动合闸，将瞬态高压雷电输入大地。控制柜中的地线就近作等电位连接。
3.2.3 测控线路防雷保护
对于机舱外部的风向标、风速仪的线路，可以在塔底柜内的变送器前端加装模拟信号防雷器或开关信号防雷器进行保护。对于较长的测控线路，可根据其重要性加装防雷器。如塔顶按钮信号到塔底主控PLC的模拟信号和开关信号，可分别加装防雷器进行保护。
3.2.4 地基防雷接地体
地基接地体由两个基础的垂直接地体和一个环形接地体组成，要求工频接地电阻在4～10 Ω的范围内。环形接地体上焊4点钢条引线到塔筒根部，再分别将钢筋引线焊接到塔底环形接地排，组成塔底共同接地体，其中由两点接地线汇集到控制箱接地母排上，另两点可直接接塔底上引线去机舱。控制箱接地母排上接箱式变压器中线、塔底控制系统地线。
应尽量降低接地电阻来提高系统的耐雷水平，降低接地电阻的措施是：加长接地体；变换电阻率小的接地导体；同时对接地土壤采用降阻剂来降低接地电阻。降阻剂是由专门生产的无机化学复合材料，使用时加水将其搅拌成糊状，浇铸接地体周围，再回填土，埋好接地导体。
4 风电机组的辅助防雷措施
4.1 外部直击雷的保护设计
叶片防雷保护设计，包含了接闪器和敷设在叶片内腔连接到叶片根部的导引线，叶片的铝质根部连接到轮毂，引至机舱主机架，一直引入大地。叶片防雷系统的主要目标是避免雷电直击叶片本体，而导致叶片本身发热膨胀、迸裂损害。
机舱主机架除了与叶片相连，还连接机舱顶上避雷棒，避雷棒用作保护风速计和风标免受雷击。主机架再连接到塔架和基础的接地网。
专设的引下线连接机舱和塔架，减轻电压降，跨越偏航环，机舱和偏航刹车盘通过接地线连接，因此，雷击时将不受到伤害，通过引下线将雷电顺利引入大地。
4.2 内部防雷（过电压）保护
4.2.1 等电位连接
风速计和风标与避雷针一起等电位接地；机舱的所有组件如主轴、发电机、齿轮箱、液压站等以合适尺寸的接地线，连接到机舱主柜作为等电位；地面开关盘由一个封闭金属盒，连接到地等电位。
4.2.2 隔 离
机舱上的处理器和地面控制器通信，采用光缆连接；对处理器和传感器，采用分开供电的直流电源。
4.2.3 安装过电压保护装置
在发电机、开关盘、控制器模块电子组件、信号电缆终端等，采用避雷器或压敏电阻的过电压保护。
5 风电机组运行中的有效防雷措施
投入生产的风电机组，为防止遭受雷击，除自身的防雷设计保护外，还应采取以下维护措施，确保机组安全。
①及时修补表面受损的风机叶片，防止潮气渗透入玻璃纤维层，造成内部受潮。
②定期清理叶片表面的污染物，一般污染物具有导电性，会造成接闪器失效。
③定期检查从叶片引雷线、滑环至接地网的引雷通道接触良好，及时清理引雷滑环的锈蚀，确保引雷通道阻值最小。
④定期测量风电机组接地电阻，确保接地电阻值在4 Ω以下并尽可能降低接地电阻。
⑤须确保风电机组电气系统中所有的等电位连接无异常。
⑥定期检查风电机组电气回路的避雷器，及时更换失效的避雷器。
参考文献：
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