风电机组雷电防护问题探讨

文|丛静怡，李超，邓星

据统计，我国现今在运行的风电机组已经超过5 万台，平均每30 台就有一台因遭受雷击而造成停机影响。随着现代科学技术的发展，风电机组的轮毂高度和叶轮长度一直在增加，被雷击的风险也随之加大。雷电作为自然界中对风电机组安全运行最大的一种安全隐患，应引起各方的重视。

云层间剧烈摩擦生电以及云块切割磁力线，导致在云层上下层分别形成了带正负电荷的带电中心，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，就形成了放电。

风机设备防雷保护措施

风电机组的防雷应主要对叶片、机舱、塔架等通过采取综合雷电防护包括接闪、分流、均压、屏蔽、钳位、接地等措施进行防护，将遭受雷击造成的破坏减少到最小程度。

一、叶片

现代风电机组的叶片是由合成材料制成的巨大中空结构。雷击叶片的典型损害类型是合成材料的断裂或烧毁，或者是作为雷击点的金属部件的发热、融化。

叶片的防雷系统主要指叶片接闪器、叶片防雷引下线及叶根与轮毂的电气连接装置。叶片的防雷系统是否有效也主要看上述三个部件。（1）接闪器：接闪器是雷电的主动防护措施，以保护其它部位不被雷击，它的拦截效率影响着风电机组的稳定性。接闪器建议使用铜质材料，根据IEC61400－24 的要求采用铜质接闪器的最小面积为35mm2，仅有铝的1/2，接闪器嵌入叶片内，由于材质的不同，导致叶片和接闪器结合在一起非常容易促使叶片产生分层现象，影响叶片强度，此外也应注意接闪器的清洁度，否则影响拦截效率。（2）叶片防雷引下线：一方面应保证引下线的导通率满足要求，另一方面最好同样选择铜质材料。（3）叶根动静结合处的电气连接可靠性，应在生产运行中定期检查。

二、机舱

机舱的电源设备如主轴、齿轮箱、发电机等受雷电影响，相对于控制系统较小。机舱的防雷系统主要包括接闪器、屏蔽网、齿轮箱和发电机的防雷系统。机舱接闪器一方面可以保护位于机舱上方的风速风向仪，另一方面也能一定程度上防止雷电击中机舱本体造成损坏。机舱屏蔽网一方面作为机舱接闪器的外延，另一方面可以屏蔽雷电电磁场，防止瞬态电磁场对机舱内电子电气设备造成干扰。在机舱内，不与底盘连接的所有部件都与接地电缆相连，齿轮箱和发电机间的连结采用柔性绝缘连结，接地导线连接到机舱底盘的等电位体上,防止雷电流通过齿轮箱流经发电机和发电机轴承。齿轮箱和发电机防雷系统的作用是将雷电流旁路，防止雷电流通过这些主要设备。

三、塔架

塔架本体为金属结构，是一个自然的雷电流泄流通道，但塔架一般为分段安装，相邻塔段之间存在绝缘油漆，因此需在相邻塔段之间进行跨接，确保塔架的电气贯通性（如图1）。因为在运行过程中机舱相对于塔架是转动的，因此机舱接地与塔架接地之间需要设置防雷碳刷和放电间隙等装置。

四、风电机组接地网

风电机组接地网包括自然接地极和人工接地极两部分。所谓自然接地极即是风电机组的钢筋混凝土基础，因其与土壤之间的良好接触，所以它是一个天然的泄流通路；人工接地极则是为了进一步降低电阻而围绕基础辐射的专门接地体。一般又分为水平接地体和垂直接地体。一般风电机组接地网要求接地电阻值不得大于4Ω。

图1 相邻段的跨接部分

接地安装

一、风电机组吊装过程中的接地连接

在风电机组吊装过程中接地连接最突出的问题就是接地连接的及时性。在风电机组叶片和轮毂的安装过程中一定要保证叶根动静结合处的电气连接。在塔筒跨接连接时必须对接地端清理干净，保证通流能力。最为关键的是在风电机组每节塔筒吊装过程中在螺栓紧固时应及时完成接地连接，不应等风电机组全部完成吊装后再进行接地连接。尤其是底层塔筒，由于比较繁琐，往往吊装单位未及时进行接地连接。其次，由于施工环境较为恶劣，塔筒内无固定电源，无助爬措施，一线工作人员水平有限，为保证接地工程质量，应对接地连接的可靠性进行排查，并进行接地电阻测试。

二、风电机组接地网施工

风电机组接地网尤其是人工接地极部分，存在问题较多。（1）一般这部分施工无专门的设计图纸，往往一个风电场仅有几种类型的图纸，与现场实际情况不符的现象较为普遍，这导致了现场施工随意性较大，如出现问题，无法查找位置，图纸无价值。（2）接地防腐、焊接质量较差，一般接地施工后测试电阻基本都可以满足风电机组的要求，但是由于沿海地区，地下水腐蚀性较高，接地扁铁防腐不到位，焊接部位工艺不过关等因素，导致无法做到接地与风电机组同寿命，或者接地性能降低，应定期进行接地电阻测试。而在实际施工中，由于自然环境变化大、条件恶劣，应设置多级保护电路。

总结

总之，雷电防护设计是一个系统工程，任何环节出现缺陷，均会导致整个防雷系统失效。在整个接地系统工程中涉及到设备厂家、风电机组安装单位、风电机组接地施工单位，不应仅仅对最终接地电阻进行检查，也应在建设过程中关注接地问题，保证接地质量。一方面可以避免在施工过程中因接地未及时连接导致的人身或财产损失，一方面也可以保证风电机组的长期稳定运行。