阿拉善盟风力发电防雷技术浅谈

张宏伟张宏阁伍泽之杨振华

阿拉善盟气象局（阿拉善 750306）

阿拉善盟风力发电防雷技术浅谈

张宏伟张宏阁伍泽之杨振华

阿拉善盟气象局（阿拉善 750306）

风力发电机组一般安装环境地势开阔，室外风机主体较高，极易遭受雷击。同时，室内的各种电子控制设备极易遭受雷击的侵害。本文从风力发电机组综合防雷的角度出发，讨论了风力发电机组的直击雷防护、接地、等电位连接和雷击电磁脉冲防护等防雷基本措施，从而保障了工作人员生命财产安全和风力发电机组的运行安全。

风力 发电机组 防雷

近年来，随着世界各国对可再生资源的关注，风能的利用得到了高度的重视。伴随而来的是风力发电技术取得的长足进步。风力发电技术是目前最成熟的一项新能源技术。风机一般都是暴露在自然的旷野之中，处于高雷击环境，所以无法避免的会受到雷击灾害，而且发电机组中有很多电子元件，雷电灾害对其的影响尤为巨大。

风力发电技术的快速发展，使得风力发电机组容量越来越大，为了更有效的利用风力资源，叶轮直径和风塔高度也随之增加，同时也增加了被雷击的概率，雷击就成了威胁风力发电机安全运行的最大天敌。因此，必须得为风机内部的电子、电气设备安装可靠的防雷保护装置。才能将设备的故障率及维修费用降低，并且大大提高设备的正常运行时间，为投资者带来更大的回报。风力发电机无法避免的会遭受雷击的影响，所以应该在设计初期就做好相应的防雷保护措施，防范于未然，减少日后的维护费用。

1 风力发电概述

1.1 阿拉善盟风能资源概况

阿拉善高原地处亚洲大陆腹地，远离海洋，太平洋和印度洋潮湿空气波及甚微，形成典型的大陆性气候。其特点为降雨量稀少、日照强烈、冷热巨变，加之地处高空西风环流区，全盟多大风天气，尤其冬春大风频繁，年平均风速3.5-5.0 m/s，风力大、风沙多是本地区的气候特点，全年大风日数10-108天。

风能资源丰富，据初步估算约2.1亿kW，占内蒙古自治区风能储量的五分之一。年平均风速3.65 m/s，风速在3.0-6.0 m/s之间累积时数平均4 749 h，大于6.0 m/s的风速累积时数平均1 620 h。阿拉善盟的风速从东向西逐渐增大，其中额济纳旗的呼鲁赤古特年平均风速达5.0 m/s以上，其次是拐子湖、老东庙、吉柯德，阿拉善右旗的额肯呼都格年平均风速4 m/s以上。北部地区为风能资源丰富区，全年有效风能储量1 000-1 600 kw·h，全年最长连续无效风时数不到50 h。春季3-5月是全盟风速最大的季节，平均风速为4.0-5.8 m/s，呼鲁赤古特、拐子湖、老东庙、吉柯德、巴音毛道、哈日敖日布格、上井子等地年平均大风日数都超过50天。

目前，阿拉善盟已经建成多个风力发电厂，风力发电发展前景良好。

1.2 风能和风能发电的定义原理

风力发电是利用风的动能带动风车叶片让其旋转，从而将动能转换为机械能。同时，为了提高旋转的速度，将叶轮的转轴与增速机连接，通过转轴来带动发电机旋转，从而有效促使电机发电。根据当前的风车技术，以每秒三公尺的微风速度就可以推动发电。发电装置又称为发电机组，大致可以划分为风轮、发电机和铁塔三部分，一般大型风力发电站没有尾舵，小型的才会有。风轮是将风转化为机械能的重要构成部件，由两只或两支以上的螺旋桨性叶轮所组成。当风叶通过风的吹动时会产生气动力，从而推动风轮转动。风叶的材料要求强度要高、质量要轻；为了解决风轮所受风力大小方向变化所带来的转速不稳定，必须增加一个调速机来提高风轮转速，以确保其保持稳定。同时，在风轮后装置风标尾舵，让风轮始终对准风向获取最大功率；风轮、尾舵和发电机需要一个构架支撑，铁塔就是起到对这些部件的支撑作用。为了获取一定强度和均匀的风力，一般将铁塔修建的比较高，其高度根据地面障碍物对风速的影响及风轮的直径而定（见图1）。

图1 风轮铁塔高度确定示意图

2 风电机组综合防雷保护系统

2.1 雷电对风电机组的危害

风机都是设立在旷野当中，且高度较高，随着高度的增加被直击雷击中的概率也相应的增加，因此风机是处在一个容易被雷电击中的高危险环境当中的。目前国内风机的最大容量已经达到了5 MW，高度更是随之增加，风叶高度达到150 m以上，被雷击的概率也是相应的增加。在风机内有限空间内集中了大量的电子、电气设备，雷电带来的强大电涌，无疑将给风电机组带来严重的破坏。

表1是瑞典、丹麦和德国此三国雷击风机事故的汇总表。从数据中我们可以看出，平均每100台风机每年因为雷击事故而造成的损坏数量是3.9到8台。

表1 雷击损坏频率表

通过对国内外因雷击而损坏的风机进行分析后，我们发现：在被雷击损坏的风机中，控制系统部件被损坏率达到40-50%。

随着防雷装置在风机中的广泛采用，风力发电机组受到雷击引发事故的情况也在发生着改变。在旧的风力发电机组中受到损坏的部件主要是控制系统，而在广泛采用了防雷技术的新的风力发电机组中，受到雷电损害的部件主要是风叶部分。所以从中可以看出风机安装了防雷保护装置后，控制系统的损坏率明显下降，说明风机的防雷保护已经取得了很大的改善。

风力发电机在遭受雷击损害后将无法运行，后续的维修及分析，将持续一段时间。而在这段时间内风机将无法运行，这对于投资者来说将是很大的损失。所以将雷击事故防范于未然，使发电机组能长时间稳定的运行才能给投资者带来回报。

根据国内外风电的雷击事故中我们可以分析得出，雷击不仅会造成机械损坏，还常常会对风机中的电子控制部分也造成损坏。所以说雷电对风机的影响，最主要依旧在于对电子、电气设备的损坏上。采取合理的内外部防雷装置及措施来保护风电显得尤为重要。

2.2 接闪器

由于风机的风叶始终处于风机的最高位置，所以风叶是风力发电机组上最容易受到雷击的部件，对风叶造成不可逆的机械损伤，在整个风力发电机组的雷击损坏维修成本中，它的损坏维修费用所占额度最高。风叶主要有玻璃纤维增强塑料（GRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）、木质、钢和铝等材料组成，其结构常为外壳加内梁的组合形式，由于所采用壳体材料的电阻率相当高，材料本身在正常情况下是不易导电的，但在强大雷电流作用下就能够产生导电路径，从而产生高温，烧毁风叶表面材料，可能使风叶出现裂痕，严重的可能会导致风叶断裂。因此对风叶预先安装上接闪器，提供一个泄放雷电流的通道，让其安全、可控的流入大地当中。风叶上安装的接闪器可以用30×3.5 mm镀锌扁钢作为连接带连接到风机中间部位。而机舱内的滚珠轴承，将它两端用放电间隙或者碳刷的方式连接起来，这样就可以避免巨大的雷电流在通过轴承时引发的焊接效应。通过在机舱顶部安装避雷针的方式,保护其不会受到直接雷击。

2.3 引下线

对于是金属塔身的风机，可以直接用其塔身作为引下线，不需再另行铺设；而混凝土塔身的风机，则需要在塔身采用内安置引下线的办法（引下线选材：镀锌扁钢30*3.5 mm或者镀锌圆钢φ8～10 mm）。

2.4 接地系统

风机的接地地网是由风塔的塔基的接地极所提供，塔基的地网应该和旁边控制室的地网相连接起来，这样就形成一个等电位连接带，当泄流雷击电流时就不会产生电位差，保障设备的安全。

地网可采用40×4 mm扁钢沿塔基外围敷设环形水平接地网，同时埋入φ25的圆钢作为垂直接地体，垂直接地体埋设的间距为其长度的2倍，并将垂直接地体于水平接地体相连共同组成接地网。塔身周边每隔1 200 mm与接地网连接，同时与塔基混凝土内钢筋连接。

如接地电阻达不到要求，可采用如下方法改善：外引接地，使用降阻剂，深井接地。

2.5 防雷击等电位连接

等电位链接在内部防雷系统中占据着重要的地位，它能有效的减少部件之间存在的电位差。其原理是通过把所有导电的部分连接起来，达到一个相近的电位，从而降低电位差对电子、电气设备的影响。在风机的等电位连接系统中，我们应该对信号、电源线路和金属管线都进行可靠的等电位连接，然后再通过浪涌保护器与主接地网连接起来。

2.6 电磁屏蔽系统

电磁屏蔽系统是为了减少电磁干扰的系统，由于风机本身是个发电机，所以其机舱内部的所有电子、电气设备都应该用金属屏蔽罩罩起来。这些金属屏蔽罩都应该与等电位系统连接起来。

2.7 浪涌保护

根据浪涌保护器安装的位置和风机内设备的不同，将风机内设备的浪涌保护分成7个部分，分别是：

（1）发电机的保护

（2）变压器端的保护

（3）远端监控系统的保护

（4）塔基控制柜的保护

（5）塔基变频柜的保护

（6）轮毂变桨系统的保护

（7）机舱开关柜的保护

从防雷保护区的LPZ0到LPZ1区的交界处必须安装按照符合（10/350µs）波形测试的浪涌保护器或者较大通流量的保护器，它可以泄走大量的雷电过电压而不会造成设备的损坏。

由于前面防雷保护区已经泄流了大部分雷击电流，流入后续区域的电流能力已经明显减小。在后续的保护区内，一般选用残压较低的浪涌保护器（如8/20 µs波形的SPD），将剩余的雷电电流放进大地中。3结语

我国是个风电大国，从能源、环境和可持续发展的角度出发，发展风力发电势在必行。雷电灾害给风力发电带了诸多影响，采用合理适当的防雷措施只能减少损失，只有更多新技术的突破和应用才能对雷电进行完全防护并加以利用。

总之，风电以其丰富的资源、良好的环境效益和逐步降低的发电成本，必将成为21世纪中国重要的电源。

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云龙）