浅谈风力发电机组防雷技术

徐恺+刘志雄+杨玉辉

摘 要：根据突泉县气象局1981年至2010年30年整编资料显示（北纬N45°22′53″、东经E121°35′05″、海拔高度311.7米）：突泉县年平均风速4.4米/秒，全年风向以西北风为主，风力资源非常。近年来，随着风力资源的不断开发利用，突泉县风力发电机组的安装数量呈上升趋势。突泉县属半干旱大陆性季风气候，雨热同季，年平均雷暴日数为30.1天，运行中的风力发电机组，易遭受雷击导致设备损坏甚至危及人身安全。本文根据目前国内外防雷研究领域成果，通过阐述内蒙古突泉縣风力发电机组的外部和内部防雷技术指出：要改善风力发电机防雷性能状况必须从设计、施工质量、综合防护等根本环节着入手，使风力发电机组雷电防护做到科学、有效、安全、经济。

关键词：风力；发电机组；结构；防雷技术

一、雷击对风力发电机组造成危害的方式

1.直击雷

雷云之间或雷云对地面某一点（包括建筑物、构架、树木、动植物等）的迅猛放电现象称之为直接雷击，实质上就是自然界的静电放电现象，其迅猛放电的大电流很容易产生电效应、热效应和机械力，它因电效应、热效应、和机械力效应等造成物体损坏和人员伤亡。雷电击中人体、建筑物或设备时，强大的雷电流转变成热能。雷击放电的电量大约为25～100C。据此估算，雷击点的发热量大约500～200mm3的钢材。因此雷电流的高温热效应将灼伤人体，引起建筑物燃烧，使设备部件熔化。在雷电流流过的通道上，物体水分受热汽化而剧烈膨胀，产生强大的冲击性机械力。该机械力可达5000～6000N。因此可以使人体组织、建筑物结构、设备部件等断裂破碎，从而导致人员伤亡、建筑物破坏以及设备毁坏等。

2.雷电感应

感应雷的破坏也称为二次破坏。雷电流变化梯度很大，会产生强大的交变磁场，使得周围的金属构件产生感应电流，这种电流可能向周围物体放电，如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸，而感应到正在联机的导线上就会对设备产生强烈的破坏性。感应雷可通过两种不同的感应方式侵入导体，一种是静电感应；另一种是电磁感应。研究表明：静电感应方式引起的浪涌数倍于电磁感应引起的浪涌。由于电力电缆的距离长且对雷电波的传输损耗小，所以由电源侵入的感应雷造成的危害十分突出。同时，感应雷还可以通过空间感应侵入电气设备内部线路，虽然经过建筑物和机壳的屏蔽衰减后其能量大为减小，但站内许多电气设备的抗过压能力也很弱。据调查静电感应引发的雷击事故占总体的80%。

3.雷击电磁脉冲

作为干扰源的直接雷击和附近雷击所引起的效应，绝大多数是通过连接导体的干扰，如雷电流或部分雷电流、被雷击中的装置的电位升高以及磁辐射干扰，经感应耦合、容性耦合或电磁辐射产生脉冲过电压和过电流损坏有关设备。随着科学技术的发展，大量采用微电子技术的、先进的计算机信息系统、监控、通信等网络日益广泛地应用于各种建筑物中，而微电子设备的高度集成化、低工作电平和小工作电流的特点，又带来绝缘强度低，耐过电压、过电流的能力差等致命弱点。

4.地电位反击

当设备没有采取等电位接地措施的情况下，由于接地系统本身的接地途径不同，冲击接地电阻差异，以及在泄放雷击电流时，所通过的雷击电流存在差异，导致地电位升高和不平衡，当地电位差超过设备的抗电强度时，即引起反击，损坏设备。

二、风力发电机组的防雷环境特点

风机安装位置处于野外空旷的平地，大型风机叶片高点（轮毂高度加风轮半径）最高可达150m，易受雷击；由于风机内部结构非常紧凑，无论叶片、机舱还是塔架受到雷击，机舱内的电控系统等设备都有可能受到机舱的高电位反击。风力发电机组的电气绝缘低（发电机电压690 V、大量使用自动化控制和通信元件）。暴露的位置及本身的高度决定了它极易遭雷击的危险。可以说防雷其环境极其恶劣。尤于处于旷野之中高耸物体都不可能完全避免雷击，所以对于风力发电机组防雷技术而言，重点应放在遭受雷击时如何迅速将雷电流引入大地，尽可能地减少导入设备的电流，最大限度地保障设备和人员的安全，使损失降低到最小的程度。

1.雷击后果的严重性

风力发电机组是整个风电场的贵重设备，若遭受雷击（特别是叶片和发电机贵重部件遭受雷击），会造成风机叶片爆裂、电气绝缘击穿、自动化控制和通信元件烧毁等危害。所以，雷电灾害是威胁风电机组安全经济运行的严重问题。

2.雷电保护区域的划分（见图1）

（1）雷电保护区LPZOA。

该区内的各物体都可能遭受直接雷击，同时在该区内雷电产生的电磁场能自由传播，没有衰减。

（2）雷电保护区LPZOB。

该区内的各种物体在接闪器保护范围内，不会遭受直接雷击，但该区内的雷电电磁场因没有屏蔽装置，雷电产生的电磁场也能自由传播，没有衰减。

（3）雷电保护区LPZi（i=1，2，...）。

当需要进一步减少雷电流和电磁场时，应引入后续防雷区，并按照需要保护的系统所需求的环境选择后续防雷区的要求条件。

三、风力发电机组综合防雷技术

现代综合防雷包括了外部防雷和内部防雷两大部分。一套完善的防雷设施，为了实现其对不同雷电的防护目的，必须采取接闪、分流、屏蔽、均压、接地等技术措施。

外部防雷的作用是将绝大部分雷电流直接引入地下泄散。外部防雷一般是防止建筑物或设施（含室外独立电子设备）免遭直击雷危害，其技术措施可分接闪器（避雷针、避雷带、避雷网等金属接闪器）、引下线、接地体等。

内部防雷——快速泄放沿着电源或信号线路侵入的雷电波或各种危险过电压这两道防线，互相配合，各尽其职，缺一不可。内部防雷系统主要是对易受过电压破坏的电子设备加装过压保护装置，在设备受到过电压侵袭时，防雷保护装置能快速动作泄放能量，从而保护设备免受损坏。endprint