风电机组的雷击机理与防雷技术

风电机组的雷击机理与防雷技术

崔志勇

内蒙古自治区二连浩特市气象局 内蒙古二连浩特市 011100

摘要：随着风电机组单机容量和风电场规模的增大，风电场的安全运行问题日益受到重视。在影响风电场安全运行的诸多因素中，遭受雷击是一个重要方面。本文结合风电机组防雷的研究成果，对风电机组的雷击过程、雷击损坏机理以及防雷措施进行了较全面的阐述。

关键词：风电机组；雷击；保护

一、雷电的形成

雷电是一种大气中放电现象。雷电的形成过程中，空中的尘埃、冰晶等物质在大气运动中剧烈摩擦生电以及云块切割磁力线，在云层某些部分积聚起正电荷，另一部分积聚起负电荷，运动过程中当异性带电中心之间的空气被其强大的电场击穿时，就形成放电。这种放电有的是在云层与云层之间进行，有的是在云层与大地之间进行。风电机组遭受雷击实际上就是带电雷云与大地之间的放电。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巨大的电流和能量。

二、雷击损坏机理

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。

2.1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。

2.2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。

2.3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、风电机组的防雷

3.1风电机组机械部件的防雷

（一）叶片防雷

风电机组的叶片中，有的叶片并没有设置内部导电体或进行表面金属化处理，仅是纯粹的玻璃增强塑料（GRP）结构或GRP–木结构。运行经验表明，这种类型的叶片经常遭受雷击，并且通常是灾难性的。为此，应在物理结构上采取防雷措施，以减小叶片遭受雷击时的损伤。

（1）无叶尖阻尼器的叶片防雷结构

对于无叶尖阻尼器的叶片，一般是在叶尖部分的玻璃纤维外表面预置金属化物作为接闪器，并与埋置于叶片内的铜导体相连（铜导体与叶根处的金属法兰连接）。外表面金属化物可以采用网状或箔状结构。雷击可能会对这样的表面造成局部熔化或灼蚀损伤，但不会影响叶片的强度或结构。

（2）有叶尖阻尼器的叶片防雷结构

对于有叶尖阻尼器的叶片，通常是在叶尖部分的玻璃纤维中预置金属导体作为接闪器，通过由碳纤维材料制成的阻尼器轴与用于启动叶尖阻尼器的钢丝（启动钢丝与轮毂共地）相连接。这样的结构通过了200kA的冲击电流实验，叶片没有任何损伤。可以预见，这样的叶片遭受雷击的概率要比绝缘材料制成的叶片高，但只要满足下列条件就不会造成很大损伤：①雷击点处的电弧灼烧不产生严重的破坏；②雷电流可以安全地通过导电构件导入地下。这就要求导电构件需要有足够的强度和横截面积。

（二）轴承保护

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。一般来说，偏航轴承的周边为雷电流提供了一个良好的导电通道。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。

（三）机舱防雷

如果叶片采取了防雷保护措施，也就相当于实现了对机舱的直击雷防护。虽然如此，也需要在机舱尾部设立接闪杆，并与机架紧密连接。如果叶片没有防雷保护，则应在机舱的首尾端同时装设接闪杆。对由非导电材料制成的机舱中的控制信号等敏感的线路部分都应有效屏蔽，屏蔽层两端都应与设备外壳连接，而且还要避免形成环路。另外，在机舱表面应布置金属带或金属网，且与机架相连接，为工作人员提供安全保护和一定程度的电屏蔽。装设这种带状保护和附加防护，以及位于机舱前部的接闪杆等，在绝缘叶片的情况下是非常必要的。如果机舱是金属制成的，则将机舱与低速轴承和发电机机座相连接，就可以实现很好的安全保护和电屏蔽。提供电气连接的导体应尽量短。

3.2风电机组电气部件的防雷

（一）暂态过电压及线路保护

对风电机组控制系统造成破坏的暂态过电压，可能是由直击雷或非直击雷引起的。发生在信号线、通讯线和电力线附近的雷击过程，将在这些线路上产生暂态过电压，其幅值可能达到几十千伏。如果一台风电机组遭到雷击，传输到另一台风电机组的暂态过电压的大小与该风电机组的接地状况有关，即使采取了良好的改善措施，其暂态过电压还有可能达到这一数量级，因此建议布置在塔间的信号线采用光纤并连接到实际的控制中心。通信线在进入建筑物处应设置气体放电管加以保护，并通过一低阻抗接地线接地。沿电力线注入的暂态过电压会对线路造成破坏，因此需要使用电涌保护器加以保护。

（二）雷电流的直接注入及其防治

雷电击中电气元件即雷电流直接注入线路的情况是一种非常严重的雷击现象，将会产生相当大的破坏作用。因此要避免雷电直接击中系统中的传感器件和接线。实现这种保护是比较容易的，用合适的布线方式以及接闪杆等均可起到一定的保护作用，像气象仪之类的器件应该用接闪杆保护。实际上，风电机组机舱尾部的接闪杆就兼作风速、风向仪的支撑杆，这样的布置方式对风速、风向仪的保护是比较有效的。这些仪器的信号线路应该沿着金属构件布置并且加以屏蔽。

结语：

雷击是影响风电机组乃至整个风电场安全运行的因素之一。进行风电机组防雷技术的研究是风电研究领域中不可或缺的组成部分，它对保证风电场的安全运行具有重要的意义。本文对风电机组的雷击过程、雷击损坏机理以及防雷技术进行了较全面的阐述。在风电机组的防雷设计中，应根据不同的雷击损坏机理，对叶片、机舱、轴承等机械部件以及信号、控制线路等采取不同的防雷措施。

参考文献：

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[2]尹慧勇.风电机组的防雷技术[J].硅谷,2018(01):13.

[3]赵海翔,王晓蓉.风电机组的雷击机理与防雷技术[J].电网技术，2018（07）:12-15+39.