风力发电机组防雷系统的分析和建议

【摘要】本文从风力发电机组（以下简称风机）防雷的原理和泄流的介绍出发，通过对所安装防雷系统上存在的不足之处说明，分析问题的形成原因，给出了具体改进方案，指出了方案的优缺点和可行性。

【关键词】叶片防雷；雷电泄流；接闪器；通讯防雷；等电位连接

一、叶片的改进设计

（一）改进必要性分析

1.叶片防雷重要性

下面给出丹麦和德国统计的雷击数据：

（1）风机雷击率

（2）受雷击损坏部位

（3）影响利用率

（4）影响发电量

（5）修理费用

从上面5组数据中可以看出，叶片的损坏率比较大，主要由于叶片处于风机的最顶端，最容易遭受直接雷击，并且叶片是处于旋转的动态过程，增大了它遭受雷击的可能性。由于叶片的体积和重量都比较大，并且维修和跟换需要涉及吊装和运输等，因此叶片的防雷尤其重要。

2.风机被雷击频率和雷击位置

为了实施有效的雷击保护，需要事先对雷击频率和雷击位置进行预测，从而使雷击保护更有针对性。通常用雷击高层建筑的频度估算方法来估计雷击风电机组的频度。对于高度低于60m的建筑物，其雷击频度为：

对于叶尖带防雷保护的风电机组，在计算Ac时其高度应为最大叶尖位置与地面之间的距离。对于叶尖没有保护的情况，其有效高度介于该值与机舱到地面距离之间的值。以上计算方法仅限于低于60m的风电机组。对于高于60m的风电机组，按式（1）计算得到的结果则偏低。

估计雷云对大地放电的可能雷击点的位置，可以应用“滚球法”的简化方法。尽管雷击放电具有很大的分散性，“滚球法”得到的结果可能与实际情况存在一定的误差，但该方法还是普遍应用于接地建筑物的防雷设计。IEC标准给出了对应于特定防护水平的滚球半径的大小。将此方法应用于风电机组，则可以推知叶片的大部分、轮毂、机舱的尾部以及部分塔筒均可能成为雷击放电点。

3.风机叶片防雷结构及存在的问题

（1）雷击造成叶片损坏的机理

雷电释放巨大能量，使叶片结构温度急剧升高，分解气体高温膨胀，压力上升造成爆裂破坏。研究表明：不管叶片是用木头或玻璃纤维制成，或是叶片包导电体，雷电导致损害的范围取决于叶片的形式。叶片全绝缘并不减少被雷击的危险，而且会增加损害的次数。多数情况下被雷击的区域在叶尖背面（或称吸力面）。

（2）通常的风机叶片防雷结构

叶片防雷设计在叶尖装有接闪器捕捉雷电，再通过敷设在叶片内腔连接到叶片根部的导引线使雷电导入大地，约束雷电，保护叶片。

（3）存在的问题

发生雷云对大地放电时，雷电很容易击中叶尖，但也有可能击中叶片的侧面或叶片的绝缘部分甚至内部导体。大地对雷云的放电是从顶端开始形成的，非常强烈地表现在叶尖和其它外部突出的点，如机舱上的避雷针、机舱前端和轮毂等部位。如果叶片具有叶尖防雷保护，则向上发展的雷击放电也将集中在叶尖上。

（二）改进方案设计

接闪器在叶片背面的顶端，虽然是在最容易被雷击的地方，雷电依然存在没击中接闪器的可能。这种情况下，击中叶片后，叶片局部会剧烈升温，导致叶片中部或根部的损坏。依我个人所想设计以下两种叶片接闪器的想法，并分析其可行性。

1.将接闪器改成线形

在叶片背面表面加一道线形接闪器，将次接闪器嵌入叶片内，表面露出在叶片上，在叶片根部连接到导引线。如图4所示。

2.多个点状接闪器呈线形排列

在叶片内部安装通过敷设在叶片内腔连接到叶片根部的导引线使雷电导入大地，并在叶片背面增加多个接闪器呈线性摆放，将接闪器依次与叶片内腔的接引线连接。如图5所示。

（三）两种设计的优缺点比较

1.第一种叶片防雷设计的优缺点

（1）优点：

①接受雷电能力强。接闪器呈线形，接闪器面积大，接受雷电能力强。

②防雷区域大。线形接闪器延续至叶片根部，从叶尖至叶根都能防止雷击。

（2）缺点：

①接闪器嵌入至叶片内，由于材质和叶片材质的不同，很难使叶片和接闪器很好的结合在一起，使叶片有了分层现象，影响叶片的坚固程度。

②接闪器呈线形嵌入至叶片内，当接受到雷击时，接闪器上温度依然会有一定程度的陡然增加，当温度传递到周围叶片时，线形接闪器两侧的叶片局部会有升温现象，因而会使叶片热胀冷缩，依然呈线形，周围没有约束能力，经过几次雷击后叶片会变形，会增加叶片旋转时的阻力，影响机组发电能力。

③当接闪器有损坏需要跟换时，由于接闪器是嵌入至叶片内，无法采取用螺栓固定的方法，必须紧密和叶片扣合在一起，因此跟换接闪器时需要将叶片一起跟换。

（3）从上述对比设计的利弊，可以看出这种设计虽然可以很好的泄雷，但是却给叶片的坚固程度带来很大损伤。风机的寿命一般需要达到20年，而这种设计对于这个寿命年限的要求是无法保证的，如果需要跟换接闪器，必须将叶片一起跟换，会造成很大的费用，因此综合来看这个设计是不能采用的。

2.第二种叶片防雷设计的优缺点及可行性

（1）优点：

①接受防雷能力强。有多个接闪器，依次从叶尖至叶根线形排列，将雷电防护区域增大，接受雷电的泄雷作用增强，使叶片更安全。

②安装和跟换简单。接闪器呈点状嵌入至叶片内，与叶片结合处设置成螺纹，将叶片内设置为螺母，可直接将接闪器旋入叶片内，与叶片内腔处的导线相连接。当接闪器损坏需要跟换时，不用将叶片摘下，只用将损坏接闪器旋出，旋入新接闪器即可，维修简单，成本低。

③不影响叶片坚固能力。接闪器占用面积小，与叶片接触地方使叶片空缺呈圆形，即使在接受雷击后有一定的发热，周围叶片呈圆形受热，但圆形的膨胀会受到限制，使叶片不会发生大的影响，不会发生变形或者断裂现象，能很好的保证叶片不受内嵌接闪器而影响寿命。

④接闪器突出在叶片表面的面积很小，并且呈小圆柱形，给叶片带来的阻力很小，不会影响到机组的发电能力。

（2）缺点：虽然与目前普遍使用的风机单接闪器相比较接收雷电和泄雷的功能都很强大，但是与第一种线形接闪器相比较，接闪器是小的圆柱，只有部分露出在叶片外部，接收雷电的能力还是相对欠缺。

（3）这种叶片防雷的改进方法是多个接闪器的设计思想，并且接闪器与叶片的结合方法灵活，安装和拆换都很简单方便，同时与原有风机上单个接闪器相比，多个接闪器对雷电的接收和泄雷能力都有很大的增强，从叶片叶尖至叶根都能防止雷击，并不影响叶片的坚固和机组发电情况，虽然还是存在缺陷，但是综合起来，这种雷电防护的设计方法，很值得我们认真研究，相信在以后的风机上也会得到广泛应用。

（四）结论

在防雷系统中，叶片的防雷是最重要的，叶片处于风机最高出，并且处于动态的旋转状态，最容易遭受的直击雷的击中。在上述提出的建议中，第一套修改方案在防雷性能方面比较强，但存在很多致命的问题。相比之下，第二套方案在防雷性能方面也很好，并且在制作和维修更换方面都很方便，如经过仔细研究和试验，能够使用在现实防雷系统中的可能性很大。

二、关于偏航齿轮底座上引下线的设计

（一）改进必要性

1.外部雷电泄流路径

风机的一般外部雷击路线是：雷击（叶片上）接闪器（叶片内腔）导引线叶片根部机舱主机架专设（塔架）引下线接地网引入大地。但是，从丹麦和德国统计受雷击损坏部位中，雷电直击的叶片损坏占15%～20%，而80%以上是与引下线相连的其他设备，受雷电引入大地过程中产生过电压而损坏，就是说，雷电形成的过电压必须引起充分重视。

一般情况下，雷击叶片时产生的大部分雷电流都将通过低速主轴承导入塔筒。这比雷电流沿着主轴流向风电机组的发电机要好得多。通过轴承传导的强大雷电流通常会在轴承接触面上造成灼蚀斑点，但由于轴承的尺寸较大使得雷电流密度较小，所以雷击损伤还不至于立刻对风电机组运行造成影响，但能够引起噪声、振动和增大机械摩擦等，从而导致缩短轴承的使用寿命。

有些轴承具有绝缘垫层，雷电流通过滑环导入塔筒。这种措施可降低轴承所受损伤的程度，但要消除轴承的潜在问题还是非常困难的，主要原因是与轴承平行的滑环往往只能承载小部分雷电流，而大部分雷电流的流通还需轴承来完成。对偏航轴承也应有类似措施。

2.轴承被损坏的原理

（1）轴承接触面放大后可以观察到是很多不平整的接触面。

（2）注入油后会在轴承表面形成一层油膜覆盖在轴承接触面上，中间空隙处会注满油，形成一层绝缘层。当发生大电流通过时，会在有直接接触的表面形成通路，由于这个接触面很小，电流很大，就会发生斑点状的灼烧现象。

甚至由于会在油膜较薄的地方发生电流击穿，也会损伤轴承接触面。并且由于灼烧现象的发生，会使油发生变质，使效果降低。

（3）一般来说，偏航轴承的周边需要为雷电流提供了一个良好的导电通道。经过我的观察，并没有发现偏航轴承与塔筒连接的地方并没有专门的导电措施，如果出于设计的原因偏航轴承不能导电时，则必须为其建立雷电流通路。

（二）改进方案设计

1.原理

增加专门的引下线使机舱和塔筒相连接，当雷击发生，电流流过机舱时，避免电流从偏航轴承处通过，而直接通过专门的引下线，直接将电流导通至塔筒，使塔筒和机舱成为真正的等位体，从而避免了雷击对偏航轴承以及偏航轴承的系统造成损伤。

2.具体设计方案

（1）上端连接方法

引下线可采用与发电机动力电缆同等的1X185mm2电缆，采用三根。上端分角度连接至机舱内偏航轴承上方的倾斜圆盘底座上，通过动力电缆走线口向下延伸。

（2）下端连接方法

当三根引下线连接至机舱最上方平台以下时，可分别将三根引下线分120度连接至塔筒壁上。

（三）改进后的好处和带来的问题分析

1.增加引下线的好处

（1）当发生雷击时，能避免大电流从偏航轴承向塔筒传导，而直接通过引下线将大电流传导至塔筒，然后通过接地网引入大地。避免偏航轴承处因大电流通过而发生轴承接触面上造成灼蚀斑，还能避免偏航系统内的层被烧毁。

（2）通过专门的引下线使机舱与塔筒形成真正的等电位体，能够使机舱和轮毂很好的接地，避免很多情况下造成的电流影响，使机组运转更加稳定。

2.带来的问题

采取通过电缆口垂下，与电缆线在一起会增加总电缆粗度，从而影响偏航带来的电缆扭转情况。

（四）结论

在偏航轴承处增加专用的引下线问题是完善风机防雷系统所必须添加的一项防雷措施。当叶片或机舱接受到直击雷时，良好的泄流通道是很重要的，避免了由于不能顺利将电流排入大地而引起机舱电气系统的损坏，并且能够避免形成不良的泄流通道在大电流流过时发生灼烧现象。因此将这个问题顺利解决会使防雷接地系统进一步的完善，使机组运行更加稳定。

三、关于通讯防雷的几点建议

（一）通讯防雷必要性

1.光缆遭受雷击原理

雷电闪击大地时，它具有寻找最小阻抗泄放雷云电荷的趋势。当大地中有与之接触良好的金属导线物体（如金属构件接地良好的光缆）时，就相当于在高土壤电阻率地区存在局部低电阻率的土壤带，它能及时输送雷云电荷至大地，从而完成一次雷电活动；倘若该金属类物质对地是绝缘的，如对地电气浮空的光缆，则因绝缘的金属导线与大地不能形成通路，故不能输送雷云所带的电荷至大地，不会对雷电活动产生影响，因此对地接触良好的光缆对雷电有很强的诱导作用。

2.光缆遭受雷击规律

大量的统计资料证明，光缆遭遇雷击有以下规律：

（1）光缆内金属构件对地绝缘水平较低的光缆容易遭受雷击。

（2）土壤电阻率普遍比较大，个别土壤电阻率小的地方容易形成入地雷电通路，在土壤电阻率突变突出的地方容易遭受雷击。

（3）光缆线路附近大树和电杆多的地方，光缆容易遭受雷击。

（4）光缆施工后回填土壤不实，出现深沟，土壤耐压力降低，光缆容易遭受雷击。

（二）通讯防雷的几点建议

1.对于架空式光缆

（1）对于无金属芯的光缆。光缆接头处两端及光缆的终端，金属护套与金属加强芯应在电气上互相绝缘，都不接地，对地呈绝缘状态，这可避免光缆中感应雷电流的积累，也可避免由于防雷排流线和光缆金属构件对地回路阻抗差异导致地中雷电流接地装置引入光缆。这种对地电位悬浮的处理方法更合适于无金属芯的光缆。

（2）对于有金属加强芯的光缆。光缆接头两处两端的金属护套及金属加强芯在电气上互不连接，但在接头的一端（A端或B端），金属护套与金属加强芯在电气上互相连接并做接地处理这可避免感应雷电流在光缆中长距离积累，也可将感应雷电流迅速引入地中，但这样做接地装置多。

2.对于地埋式光缆

（1）地下防雷线（排流线）

地下防雷线在与光缆同沟上方埋设，主要起防雷屏蔽作用，其防雷效果可通过防雷线中的电流来判断，电流越大防雷效果越好。埋式光缆线路的防雷线最好采用有色金属线，其线阻抗小、耐腐蚀、使用寿命长、防雷效果好。

具体做法是：在光缆上方30cm处平行铺设2条相距40cm的防雷线。并将两端引伸到大地导电率低的地方，其敷设长度要求每处>2000m。地下防雷线可采用7/2.2镀锌钢绞线或6mm镀锌钢筋来制作。

应用场合：有金属加强芯的光纤，并且连接方式为地埋式。主要是为了防止由于带有金属加强芯，可能将雷电引到风机。所以这种光纤最好两端都接地。

（2）管道保护法

光缆铺设应逐步实现管道化，铺设时应采用低摩擦系数的塑料管。当光缆布放在塑料管道内时，塑料管为光缆提供了一层外加的保护，将大大增强光缆的耐压能力，对防雷、防机械损伤、防鼠、蛀蚀都有好处。

应用场合：对各种类型的光纤都适用，并且可以大大增强光纤的使用寿命，但是这样通讯系统的造价也将有一定程度的提升，可以综合考虑应用。

（三）结论

通讯防雷是防雷系统的一个很重要的方面，首先，在选择光纤时，最好是选择无金构件的光纤，这样无论是使用架空式的通讯还是使用地埋式的通讯，防雷性能都很好；其次，若选择地埋式的带金属构件的光缆，如果有两端接地，要注意防止地雷对风机的反击，一般采取两端都不接地，防止地电压反击；再次，若地埋式的光缆是属于有金属加强芯的光缆，这时就必须两端接地。并且要用排雷线法或者管道法进行保护。

参考文献

[1]熊峰.建筑物电子信息系统的雷击电涌防护[M].2008，3.

[2]关美洁，刘明光.防雷方法综述[J].东北电力技术，2006（1）.

[3]郑江，林苗.线路避雷器在防雷中的作用研究[J].广西大学电气工程学院，2006，6.

[4]陈涛.内部防雷与等电位连接[J].通信电源技术，1999（2）.