风力发电机主轴承的雷电防护分析

风力发电机主轴承的雷电防护分析

关春伟

黑龙江中宇方正风力发电有限公司（黑龙江省方正县） 150822

摘要：风力发电在受到雷击之后，雷电流会经由主轴承泄散，甚至还会损害发电机以及轴承。所以，需要及时的做好主轴承的防雷保护工作，应用EMTP软件构建接地体、塔筒以及轴承模型等，分析采取火花间隙的方式对于主轴承保护的效果，合理的增加滑动接触器，探究接地电阻以及波头时间二者分流比的影响。单一性应用火电间隙进行防护时，雷电流在轴承位置的幅度数值会比较高，增加滑动接触器之后，几乎所有流过的雷电流都能够进行泄散，并且其分流比数值会随着雷电流幅值的变大而变大，其和波头时间会以反比的关系为主，同时风电接地电阻也会影响到分流比，接地电阻越大，那么分流比数值就会越小。本文主要就风力发电机主轴承的雷电防护进行探究，供给良好的旁路分流路径，切实的保护好发电机以及风机主轴承。

关键词：风力发电机；主轴承；雷电防护

引言：风能是一类可再生性能源，同时其具备较强的清洁性优势，所以风能受到了社会各界的关注和重视。我国风力发电的规模也在持续性的扩展，风电逐渐演变成了我国第三大电源，但是风力发电行业在发展的过程中会受到雷电灾害的侵扰和威胁。我国当前对于风机主轴承所设定的雷电防护标准缺乏统一性，且大多数的做法都会以其自身所具备的经验为主，缺少理论依据的支撑。所以在该种情况下，一旦出现了风机雷击的事件，则会使得其设施的使用年限变得极短，甚至还会使得雷电流没有经由轴承持续性的传导到风机发电机，使得风电发电机组不能正常的运行，所以科学合理的开展主轴承防雷保护工作十分的关键。

1轴承防雷

现阶段，防雷保护风机通常会在叶片上部位置增设防雷装置或者实行机舱接闪杆接闪的处理，把雷电流由雷击点的位置，安全的过渡并传输至塔筒点，之后再由几组接地装置设施谢泄散入地。其实际泄流的路径主要分为两类，首先是从机舱接闪杆之后，由机舱罩引出下线，流经主机架过渡至偏航轴承，最后再由塔筒流经塔基接地装置之内。处于静止状态下的轴承以及重载轴承可以传导雷电流，其所产生的损坏度会比较微弱，但是站在安全的立场上来考量，主轴承和偏航轴承需要进行一系列的保护处理，供给与轴承保持并行状态的低阻抗通道，同时依据沿轴传来的雷电流进行旁路分流的处理，这样就可以有效的降低流过轴承的雷电流数值。在以往的工作中，会实行碳刷的形式进行作业，摩擦接触的过程中，会形成电弧，这就会使得其摩擦磨损程度变得更加的严重，同时还可以提高接触电阻数值，减小实际的分流效应，并且保护性能也会比较微弱。所以碳刷已经被取代，会选择铜质的电刷进行作业，铜质电刷的耐磨性能会比较强，接触电阻会处在较低的数值范畴内，这就会对磨损的状况进行改善和调整。不管是电刷还是碳刷均可分组部分的雷电流，但是仍旧会有一些雷电流流经轴承，所以要在机舱底板以及齿轮箱等位置加装绝缘垫，提高轴承结构的阻抗数值，防止雷电流经过此处。与此同时，发电机以及齿轮箱位置要安装绝缘轴器，防止阻断雷电流由高速轴进入到发电机内部。

2仿真模型

2.1雷电流模型

雷电流波形采用Heidler函数表示为：

式中:I_m为峰值电流；τ₁和τ₂分别为波头时间和波尾时间常数；n为电流陡度因子，取10。雷电流波形取2.6/50μs，幅值取50kA，对应雷电通道等值波阻抗取700Ω。

2.2叶片、塔筒及接地模型

考虑到雷电流在叶片和塔筒上传播中波过程，叶片采用波阻抗模型表示，叶片波阻抗采用下式计算：

式中，l_b为叶片长度；r_b为叶片等效半径。风机塔筒模型采用分布参数电路来等效，计算分布电路参数时，将塔筒等效成一个空心圆柱体，塔筒等值阻抗。

式中，h为塔筒高度；ρ_t为塔筒材料的电阻率；S为塔筒截面积。

塔筒纵向电感：

式中，r_eq为塔筒等效半径；c为塔体内径与外径之比；μ₀为真空磁导率；μ_r为塔筒相对磁导率。

2.3轴承和保护电路模型

相关试验表明：雷电流在通过主轴承时会产生油膜放电现象，主轴承呈现出明显的容性特征，因此电容来表征轴承的电气特性。

式中：ε是润滑油介电常数；l为主轴承的长度；Ｄ为轴承环轴线到滚子轴线的距离；R₁为滚子半径；R₂为轴承环的半径。

3仿真结果

3.1未安装防雷保护系统

举例来说，金风GW77-1500kW风机的叶片长度为77米，实际叶片半径数值为1.6米，塔架的高度为65米，塔筒半径为2米，图一为未安装火花间隙时流经轴承的雷电流波形图，观察图一，没有安装装轴承防雷保护系统，流经轴承的雷电流幅值非常高。根据相关试验结果，造成轴承损伤的雷电流密度的下限值大约是4kA/mm²。过高的雷电流幅值肯定会造成损伤，增加轴承磨损和减少其寿命。

图一

3.2安装防雷保护系统

图二为并联安装火花间隙之后，轴承以及火花间隙的雷电流波形，由其图二能够观测到，在导通火化间隙之前，一些雷电流会先流过主轴承，在其达到火花间隙击穿电压节点时，大多数雷电流会流经火花间隙，这就会减小通过轴承的电流峰值。但是实际流过轴承的峰值仍旧会超过数千安，单一性运用火花间隙的保护处理会取得相应的作业效果，但是这种作业方式仍旧会存在着缺陷。举例来说，在导通火花间隙时，通常会采取高电压的形式，这就会使得其处于电弧放电的状态，实际导通的时间比较慢，一些电流会先流过轴承的位置。火花间隙击穿电压会受到大气条件的影响，通常情况下，击穿电压数值约为3至4kv，若风场所处的大气环境较为恶劣，那么就会使得其增加击穿电压值。这一现象的存在，会让火花间隙的电机出现腐蚀或者退化等的问题，这些问题的出现，均会减小火花间隙的防护效果，想要防止其产生这部分问题，就需要增设一组滑动接触器。

图二

图三为安装火花间隙并联滑动接触器之后，流经火花间隙以及滑动接触器等的雷电流波形图。就图三能够观察出，安装火花间隙的同时并联活动接触器之后，流过轴承的雷电流数值相对来说会比较小，几乎全部的雷电留在流过滑动接触器以及火花间隙之后，就能够被完全的泄散。这主要是由于雷电在导通火花间隙之前，通过的维护，先通过滑动变阻器，并不是主轴承，所以大多数雷电流仍旧会流过火花间隙。

图三

3.3火花间隙和滑动接触器分流比

图四是火花间隙以及滑动变阻器分流比受到波头时间所产生的变化，由图四能够观察出，分流比和雷电流波头时间为反比关系，雷电流波头时间越长，那么分流比数值就会越小，并且分流比受到波头时间变化的影响比较显著。这主要是因为分电流波头时间较短，那么火花间隙两侧电压变化率的幅度就会变大，火花间隙导通时延也会变得越短。

图四

结语：综上所述，借助ATP-EMTP软件，探究安装火花间隙并且增加滑动接触器对于风机轴承雷电防护所起到的作用效果。一般情况下，火花间隙防护时，大多数的雷电流会经由火花间隙去泄散，但是实际流过轴承的雷电流幅值会比较高，采取增加滑动接方式进行作业，流过轴承的雷电流幅值会比较小，且分流会受到风机接地电阻的影响而产生变化。

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