浅谈风电机组的雷电预防

马文仓 霍建胜

摘要：随着发电需求的增加，我国风电机组迎来了发展的春天，同时，受制于传统诟病，其质量安全受到了广泛关注。雷击时，电流直接在风电机组传输入地的路径中产生巨大的热效应和机械效应，为了有效防范风电机组桨叶、轴承及传导线路工作部件遭损坏，应该根据地域特点，重视风电机组设计技术应用，减少其机身遭雷击的概率。同时，在平时防护工作中，应该加大风电机组的检测力度，避免机组基础部件损坏，以有效防止风电机组潜在破坏。

关键词：风电机组;雷电预防;雷电传导

引言

目前机组容量和机组长度加大，增加了机身暴露部位，在雷电天气中更容易遭雷击。传统的风电机组在设计上存在缺陷，其技术不能完全满足现在防雷需求，因此，应该在传统风电机组防护基础之上，探索和应用新的防雷技术，以便于设备安装、故障排除及入地电阻降低，使之能够化解雷击所产生的热效应和机械效应，确保风电机组足够的抗雷击能力。

1风电机组的雷击特性

1.1雷击强度

桨叶是风电机组结构中的一部分，风桨叶尖在雷击时是首先传导的部位，但是绝不是雷击的唯一部位。根据滚球法的概念，桨叶侧面、轮毂、机舱及塔筒高度凡是大于滚球半径的部位都能是雷电造访的地方。风电机组遭到雷击时，由于每次的雷击电流与雷击距都不同，因此，其破坏范围也不相同。当雷电强度大时，相应的雷击距离也较大，滚球半径也相应增大，根据滚球法概念，风电机组桨叶侧面、轮毂、机舱及塔筒部位雷电造访的范围相对窄小，所造成的的破坏性也较小;当雷击强度小时，相应的雷击距离较小，而滚球半径减少，那么雷电造访的范围就会变大，所造成的破坏性较大，防护困难加大。

1.2雷击率

风电机组雷击率不仅仅与当地气象气候、地势等条件有关，还与其受雷面积有关。目前风电机组内部容量在扩大，机组高度及桨叶、机舱等尺寸相应增大，使得雷击时风电机组暴露面积扩大。根据滚球法理论，将滚球面依次沿着桨叶、机舱及塔筒滚动，所形成的球心三维面即机组受雷面，当风电机组尺寸增大时，桨叶、机舱及塔筒形成的受雷面积也增大，使得雷击概率增加。

2风电机组的雷电预防

2.1根据地区雷击特性高效预警

不同地区的雷击特性是不相同的，因此，为了做好风电机组的防雷工作，首先应该在风电机组施工安装处对雷电气象、地理、地质等自然条件进行合理评估，同时，综合考虑风电机组的高度、类型等因素，安装特制专用避雷设施和预警设施，以保障风电机组的安全运行。同时，雷击监测设备的设计应该在雷击频率、时间及幅值等勘探基础上，结合风电机组内部监测情况进行有效改进，使内外监测能够协调进行，并且能使监测到的信息数据上传给风电机组管理人员，为其及时监控雷击时风电机组各项参数数据提供有力支持。

2.2改进防雷技术，提升防雷效果

目前在防雷技术的探讨实施中，可以根据传统的防雷技术从接闪系统、雷电传导系统及接地系统进行改进。

2.2.1加强接闪系统的研究与改进工作

在风电机组雷电预防中，桨叶叶尖的接闪器和传导材料起着重要的调节作用，首先从叶尖的接闪器防护效果讲起：叶尖的接闪器作为桨叶的接闪系统，具有不可卸拆性，因此，一旦受到损坏，很难进行换装且无法紧密连接其基座，影响整个防雷系统的运行。为此，探讨接闪系统的防雷工作，必须从叶尖、基座及它们的连接这三个方面入手，让接闪系统正常工作并保持紧密连接，并保证充足的贴面面积，防止“打火”现象发生。

2.2.2优化雷电传导途径

加强桨叶雷电传导能弱化雷电导入能力，提高雷电拦截效率。在雷电传导过程中，桨叶拦截起着重要的作用，在其表面涂装材料是提高其拦截能力的有效途径，例如增加金属涂层或者使用截面积较大的金属传导材料以保持桨叶表面的平滑度，使之能够充分吸收雷击所带来的热效应和机械效应。

2.2.3加装除冰系统

受环境影响，在桨叶、风速方向仪等设备上可能会因低温、高湿而结冰块，若不能及时去掉，会使风机叶片转动受阻而出现转速减退甚至停止的现象;若除冰，则会造成一定时间内的停机、断电现象。基于此，根据风电机组的特点，合理安装除冰系统的重要性不言而喻。

目前除冰技术有气热、电热，根据它们的工作原理，不但增加了风轮载荷，而且除冰效果不佳，因此，存在着不少缺陷。基于此，是否可以在叶片上加装一层既能加热除冰又能有效拦截雷电的复合膜以解决目前除冰难题值得有关人员商榷。

2.3接地系统的整改

2.3.1开发借助专用的设计软件

为了提高接地系统的设计效果，优化设计过程，可以开发和充分借助BIM此类专用设计软件，根据工程系统设计要求与参数，并综合考虑现场实际条件，设计出合理的整改系统，有必要的话，还可以仿照接地系统仿真模型，进行各种参数设定，达到优化整改过程的目的。

2.3.2应用智能接地系统

为了保证监测预警效果，可以根据现场实际条件，安装智能接地系统，以全方位地实时监测风电机组地下系统各项运行参数，使得管理既高效且简单。

2.3.3采取合理的降阻措施

采取降阻措施一般是因为当地土壤电阻率非常高，影响了电流的地下传导。为了达到科学降阻的目的，应该对现场水土情况进行调查、分析，然后再采取诸如添加降阻剂、深井接地、更换土壤等措施。

在降阻措施实施时，应该注意其科学合理性，例如延长接地体，不能无限延长;深井接地一般是遇到土壤电阻率较小而采取的一种成本较高的接地方法;更换土壤降阻应该充分考虑到现场实际条件，并尽量节约降阻成本。

2.3.4推广软体石墨接地应用

软体石墨降阻不但效果好、安全无污染，而且经济、操作简单，因此，值得大力推广应用。在软体石墨设计过程中，应该结合当地实际情况，科学设置埋设方案，合理应用连接方式。

结语

风电机组雷电防护过程复杂，需要考虑到当地环境、气候、地理、地质、土壤等多重因素，因此，要求具备很高的防护技术水平。为了最大程度地降低雷击损失，一方面應该采取因地制宜的设计方法，充分借助专用的设计软件，确保设计的科学性，提高设计效果，保证防雷设备的正常运行;另一方面，应该高度重视风电机组的雷电预防工作，对雷电监测预警设备进行升级改造，实现雷电监测预警管理上的高效化和智能化。

参考文献

[1] 蔡国伟，雷宇航，葛维春，等.高寒地区风电机组雷电防护研究综述[J].电工技术学报.2019，（22）.4804-4815.

[2] 施广全，张义军，陈绍东，等.风力发电机组防雷技术进展综述[J].电网技术.2019，（7）.2477-2487.