风电机组防雷系统及其维护

王欣天津轻工职业技术学院

风电机组防雷系统及其维护

王欣
天津轻工职业技术学院

摘要：近年来风力发电技术日新月异，全球建设的风电场，其规模也是在逐渐扩大，与此同时，单机容量也在快速提高，使得风电场的运行安全问题越来越受到重视。目前，我国已在沿海地区建设了大型风电场，其中最高的部件就是风电机组的塔架，高度已超过120米。在使用的过程中，难免会遇到雷击。本文结合风电机组防雷的研究成果，对叶片防雷的重要性、防雷的要求以及防雷系统的维护进行了较全面的阐述。

关键词：风电机组；雷击；维护

风电机组外部防雷系统主要由接闪器、雷电传导系统和接地系统构成，对于风电机组的保护具有十分重要的意义。

一、风电机组和叶片防雷的必要性

在中国的风力发电行业的起步阶段，风电场通常建设在西北部地区，因为这些地方一年之中发生雷电的情况比较少，从而建设中主要使用450kW级以下的风电机组，这样雷害的问题就不会那么突出。目前风电场中的雷害问题日趋严重，主要是因为风电机组的规模不断大型化，风电场的建设速度不断提升。据统计，在我国的沿海地区和一些高海拔地区，一些风电场已在建设中，也有一些已投入使用，其中塔架高度超过120m的风电机组已成为风电场中最高达的构筑物，这也使得其最容易受到雷电的袭击，其中叶片的防雷问题尤为重要。

雷击可以造成风电机组的部分器件受到损害，通常分为直接雷击和间接雷击两种，其中叶片损毁的都是直接雷击造成的，而引发变压器、变流器、发电机、SCADA电子系统、通信系统和控制系统发生严重故障的基本上是由于雷电感应过电压（雷电电磁脉冲）等间接雷击造成的。在一些报道中，也会发现有液压系统、传动系统、齿轮箱等部位遭受雷击损害的。在这些器件中，遭受雷害的概率较大的主要是由弱电器件组成的部分，例如传感器、SCADA系统、通信系统和控制系统。虽然它们承受过电流和过电压的能力较差，容易造成损害，但是维修相对比较便捷，而且由此产生的直接和间接的经济损失要比由于叶片损坏所造成的损失小得多。

叶片遭受雷击问题之所以越来越受到重视，主要是因为两个方面：

第一、经济方面，建在边远地区或是海上的风电机组，维修费用高、物品运输困难、而由此造成风电场停止运作，所产生的经济损失也是巨大的。

第二、技术方面，由直接雷击造成的叶片损坏，情况都比较严重，而且损毁的叶片也极难修复。

另外，像玻璃纤维增强塑料这种具有不传导雷击电流功能的复合材料是组成风电机组风叶的主要成分。这种类型的防雷工作是必不可少的，如果不给叶片增加防护，那么只要被雷电击中，叶片就会损坏。利用相同材料制成的机舱外壳，同样要采取防直接雷击的相关措施。

叶片受到雷击的过程中，雷击电流会通过轮毂、齿轮、桨距轴承、主轴轴承、发动机轴承、偏航轴承、底座和塔架流入大地。雷击电流流过轴承和齿轮，可以造成其部位的损坏，当轮齿和齿轮之间、滾道和滚轮之间油润滑层存在时，雷击造成的损伤更为严重。大量实验证明，位于雷电频发地区的风电机组，在它服务寿命期内，都会遭到数次雷击。因此，风电机组的防雷必须引起人们的高度重视。常见风电机组受雷击损坏的不同部件占比情况如表1所示，修复费用如表2所示。

表1　风电机组受雷击损坏不同部位所占份额（%）

表2　修复受雷击损坏的费用（%）

二、防雷要求

风电场中的风机组，就好像是建设在空旷野地里的高大建筑物，这些建筑物数目较多，高度也都是超过100m，很容易遭受雷击。这些构筑物内有复杂的电气和控制设备，外部用复合材料制成，还有长达60m的旋转的叶片。

风电机组的叶片长度超过60m，且几何结构较为复杂，主要是由导电性能不佳的增强型纤维复合材料制成。以水平轴风电机组为例，这些叶片安装在高塔上（高塔的高度超过100m），并且是垂直旋转的，由于长期暴露在直击雷下，因此较一般建筑物的防雷工作更为复杂。

叶片务必加以保护，主要是因为它是风电机组中最暴露的部分，也是最容易遭受雷击的部件。对叶片的保护是否足够，应当看其设计和安置叶片接闪器后能否有效的截获雷电，以及导流系统能否疏导与Ⅰ类防雷水平一致的雷电流。

虽然雷电可能袭击叶片表面的大部分地方，但现场经验证明大部分雷电还是击中叶尖位置，只有少数击中叶片的其他地方，所以接闪器一般都安装在叶尖位置。为了既能防雷，又能降低成本，需要按照不同的风电场雷电环境，设计叶片并进行不同电流和电压等级的试验，叶片制造商要在叶片设计室进行接闪系统和导流系统截获雷电和传导雷电流的能力的试验。

风电场之所以必须建立一个良好的接地系统，主要是因为，接地系统可以用来保护牲畜和人员的安全、消散雷击电流、防止风电机组的损坏。具体来说，当电气系统遭到破坏时，接地系统可以在防护设备动作并安全切断故障电流之前，将整个地电位提升到与同时出现的跨步电压、接触电压一个安全水平。

三、防雷系统及其维护

叶片上的电气设备主要是接闪器，接闪器是外部防雷系统的主要部件，同时也是风电机组中的易损器件。经过大量的现场案列，不难发现，叶片被雷击的部位，绝大部分在叶尖位置，只有较少的时候击中叶片的其他部位。因此接闪器一般都安装在叶尖。防雷系统就是要通过接地设备，将闪电流引入地下，即闪电流从叶片接闪器，经过导线快速流过叶片、机舱，从而达到避雷器。这样雷击所产生的过电压就会在传导的过程中通过电离消耗掉，而不是在进入叶片接闪器时放电。

雷击属于自然现象，我们无法控制，但是通过一些措施，可以减低叶片遭受的雷击的次数。例如，定期清理叶尖部位的排水孔，保持干净无杂质、经常检查叶片的防雷系统，发现问题，及时修复。这些措施都可以有效的保护叶片，延长叶片的使用寿命。对于防雷系统，每年要进行例行检修，检测接闪器截获雷电的能力是否下降到设定值以下，传导系统的传导性能是否保持良好，接地系统的接地状况是否良好。在遭受恶劣的雷电天气后，要在外部条件许可后尽快对防雷系统的性能，尤其是叶尖接闪器进行检查。此外，由于接闪器属于易损件，还要根据厂家的规定定期更换。