浅谈风力发电场的防雷保护技术

吴梓源

1.引言

风力发电是一种清洁的可再生能源。我国风力发电技术日渐发展，目前有四大风力发电场：新疆达坂城风力发电场，内蒙古辉腾锡勒风电场，浙江临海括苍山风电场和甘肃酒泉千万千瓦级风电场。风电场所处位置一般海拔比较高，所以遭受雷击的可能性比普通发电厂大。在目前，风力发电机组单机的容量不断的增加，叶轮直径以及轮毂的高度也随之增加，雷击风险也被无形放大，一旦发生雷击，雷电释放出的能量不仅会造成发电机绝缘击穿、发电机组叶片损毁、控制元器件烧毁等后果，还可能会造成工作人员的伤亡，因此，为了降低雷击为风力发电场带来的影响，必须做好其防雷保护技术。

2.避雷器和引地线

一套完整的防雷装置包括避雷器（针、线、网、带），引下线和接地装置。风力发电机组安装在塔架之上。塔架高度大多在20 m以上，容量愈大，塔架的高度越高几十千瓦容量风力机组的风叶叶片直径有10多米长，容量越大，叶片越长。

风力机的叶片在风力机中所处位置最高，伸出叶尖的金属圆棒在设计风力机防雷保护时可作为避雷器，雷电流由此引入。若叶片内金属导电体不伸出叶尖，就要另外设计一定高度的避雷器，以保护叶片不受雷击，如风力机的转轴、机舱、塔架作为引下线，因此要求风力机的叶片、转轴、机舱和塔架有良好的通路把雷電流引入地下，风力机的引下线要保持良好的通路关键是风叶转轴和机舱、机舱和塔架两处转动部分必须装设电刷以短路轴承油膜，使雷电流畅通。

3.接地装置

防雷接地的目的是减小雷电流通过接地装置的地电位升高。从物理过程看，防雷接地与保护接地和工体接地有两点区别：一是雷电流的幅值大，二是雷电流的等值频率高。雷电流的幅值大，就会使地中电流密度ξ增大，因而提高了土壤中的电场强度（E=ξp），在接地体附近尤为显著。若此电场强度超过土壤击穿强度时，在接地体周围的土壤中便会发生局部火花放电，使土壤导电性增大，接地电阻减小、因此，同一接地装置在幅值较高的冲击电流作用下，其接地电阻要小于工频电流下的数值。这种效应为火花效应。另一方面，雷电流的等值频率较高，使接地体自身电感的影响增加，阻碍电流向接地体远端流通，对于长度长的接地体这种影响更加明显，结果会使接地体得不到充分利用，使接地装置的电阻值大于工频接地装置阻值。这种现象称为电感影响。

4.外部（直击雷）保护设计

4.1.叶片

叶片的叶尖部分处于整个风机的最高点，因而是最易遭受雷击的部件。雷击造成叶片损坏的机理是：雷电释放巨大能量，使叶片结构温度急剧升高，分解气体高温膨胀，压力上升造成爆裂破坏。丹麦LM公司研究表明：不管叶片是用木头或玻璃纤维制成，或是叶片包导电体，雷电导致损害的范围取决于叶片的形式。叶片全绝缘并不减少被雷击的危险，而且会增加损害的次数。其研究还表明：多数情况下被雷击的区域在叶尖背面（或称吸力面）。所以叶片防雷系统的主要目标是避免雷电直击叶片本体，而导致叶片本身发热膨胀、迸裂损害。

目前广泛使用的有两种叶片：一种是叶尖阻尼器结构的叶片，另一种是无叶尖阻尼器的叶片（变桨距风机及少效失速型风机使用）。无叶尖阻尼器机构的叶片由于无叶尖阻尼机构，因而该型叶片防护方式实现起来较为简单，即在叶尖部分将铜网布或盎属导体。有叶尖阻尼器结构的叶片设置了叶尖阻尼器的叶片，整个叶片分成了两段，叶尖部分玻璃纤维聚酯层预置铸铝型芯作为避雷器，通过采用了碳纤维材料制成的阻尼器轴，与连接轮毂的叶尖阻尼器启动钢丝相连接，这种用于叶片的防雷保护系统。

4.2.机舱

现代大多数风力机的机舱罩是用金属板制成，这相当于一个法拉第罩，对机舱中的部件起到了良好的防雷保护作用，并且在机舱罩后部设置一高于风速风向仪的避雷针，用以保护风速风向仪，并保证即使风机的机舱直接被雷击时，雷电也会导向塔架而不会引起损坏。机舱罩及机舱内的各部分件均通过50mm2铜导体与机舱底板连接，旋转部分的轮毂通过碳刷经铜导体与机舱底板连接，机舱底板通过偏航系统上的滑动环与塔架相连，以确保雷电流可以迅速导入塔架。

4.3.接地网

接地网包括 1 个 50 mm2 铜环导体，置在离基础 1 m 地下 1 m 处；每隔一定距离打入地下镀铜接地棒，作为铜导电环的补充；铜导电环连接到塔架 2 个相反位置，地面的控制器连接到连点之一。有的设计在铜环导体与塔基中间加上两个环导体，使跨步电压更加改善。如果风机放置在高地电阻区域，地网将要延伸保证地电阻达到规范要求。一个有效的接地系统，应保证雷电入地，为人员和动物提供最大限度的安全，以及保护风机部件不受损坏。

5.内部（过电压）保护系统

5.1.等电位汇接

等电位汇接：将所有用电设备用导体直接相连，并与地连接形成大地与设备电位相等，电流不会对人体伤害。

风速计和风标与避雷针一起接地等电位；机舱的所有组件如主轴承、发电机、齿轮箱、液压站等以合适尺寸的接地带，连接到机舱主框作为等电位；地面开关盘框由一个封闭金属盒，连接到地等电位。

5.2.隔离

为了更好的起到防雷作用，塔顶控制器以及机舱控制器中的通信部分应该全部使用光纤进行连接，以便实现广电隔离的效果，对于内部的控制器和传感器，要使用不同的电流进行供电，实现电源隔离的效果，对于重点电气部分，要使用隔离变压器进行供电。

5.3.过电压保护

过电压指峰值大于正常运行下最大稳态电压的相应峰值的任何电压。雷电过电压属于瞬态过电压。

对于开关盘、发电机的电源线路要使用电源防雷器进行保护，在控制其信号电缆终端、模块电子组件等部位时，要同时使用信号防雷保护对电源炉前进行防雷保护，防雷器的设计要严格的按照风力发电机组电气原理图以及防雷分区的相关标准进行。

参考文献：

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[2] 邢作霞，陈雷，姚兴佳.大型并网风力发电机的防雷保护[J].可再生能源，2004.3.

[3] 孙曙光，张德生，林明.风力发电系统防雷方案分析与探讨[期刊论文].黑龙江科技信息，2010，2（25）.