浅析风力发电机组雷电防护系统的设计与实现

董茜；王柱；武超；武学成；罗明河

（中节能（阳江）风力发电有限公司，阳江529500）

0 引言

我国风能资源丰富，但是大部分风能集中在空旷和高山等地区，这些地区乃雷电的多发地带，一旦发电机组遭受雷击，会导致机组线路中形成过电流与过电压，影响了整个机组的安全运行。因此在风力发电机组设计中，必须在一些容易在遭受雷击部位设计雷电防护系统，从而降低了风力发电机组遭受雷击损坏的风险。

1 风力发电机组的结构与原理

我国大部分的风力发电机组主要由六个部分构成：①叶片、②基础设备、③机舱、④塔筒、⑤内部设备、⑥变压器。其中以水平轴式风力发电机组最为常见，该设备主要由机舱、叶片、转子、低速轴、分组成，其工作原理如下：启动后，转子带动叶片对风进行捕获，然后将风传送给转子上的轴心，将低速轴将转子轴心、齿轮箱二者连接在一起，轴中安装有导管，该导管通过作用在液压系统实现激发空气动力闸的作用，提升高速轴的转速，按照每分钟1500 转的速度运行，将发电机驱动，完成发电，在变压器通过处理后便可以形成电能，实现了传输与组网[1]。

2 风力发电机组雷电防护系统的设计与实现

风力发电机组防雷系统主要包含以下几个部分：

2.1 风力发电机组的接闪与引下

在风力发电机组中，其最高点为叶片最高点，一旦在雷雨天气中，最容易遭受雷击的便是叶片最高点。根据一条数据显示：我国海南东风电场因为遭受雷击导致的风机叶片损坏率达到了5.56 片/（白片·年）。当前风力发电机组叶片表面材料以绝缘的玻璃纤维为主，当叶片遭受雷击时，因为形成的雷电无法被立即传走，该雷电变会产生较强的机械与热作用，并对叶片产生冲击，并将叶片损坏。

针对这类情况，便需要将拥抗机械、较强的热损伤能力以及容易接闪且拆卸的接闪器。安装于风力发电机组的接闪器有两类材质，一类是铜制圆盘，这类接闪器的直径范围为150～200mm，另一类是不锈钢圆盘，这类材质的接闪器的直径为50～80cm 作用，将它们分别安装在叶片的正面与反面。需要注意的是：为了提升叶片结构的稳定性，接闪圆盘的数量不能过多，通常情况下，若叶片的长度低于25m，只需分别在尖端各安装一组即可，如果叶片的长度增加10m 时，那么接入的闪圆盘的数量也为1 组。引下线指的是叶片中安装的金属导线，在该导线的作用下，实现了接闪盘与风叶底部轮毂的成功连接，当叶片遭受雷击时，接闪圆盘接闪以后的雷电流经引线和轮毂被传输至塔筒。塔筒的金属结构被当作为导体，在将雷电流引入电机时需要注意：因为在安装塔筒时存在塔接面偏离、缝隙大等问题，将塔筒当做导体导雷在泄放雷电时会形成拉弧的情况，所以沿着塔筒接面导雷时，应用的跨接电缆的面积应该较大，并且同时还需要增加压接端子之间的接触面积，并增设保护罩保护可能产生拉弧的部位。风力发电机组尾舱位于叶片对应的位置上，当机舱尾端遭受雷电时，其不在叶片的防护区域范围内，如此便容易导致机舱中的电气设备和设施被击坏，针对这类情况便需要在机舱的尾端安装接闪短杆，再通过引下线和接地装置将雷电引入地下实现散流的作用，从而发挥雷电防护作用。

2.2 应用浪涌保护器

浪涌保护器也常常被叫做防雷器，该仪器能够防护各类通讯电路、仪器仪表以及各类电子设备等。其防护的原理为：能够在瞬间完成分流导通，从而避免了回路上的各类仪器、设备、线路被损坏。当风力发电机组遭受雷击时，便会在机组的内部形成较强的电磁场，将其传输至电缆时便会有浪涌性的过电压与过电流形成。由于当前大部分风力发电机组内会安装着很多的电子集成设备和微电子集成设备，容易在超高的浪涌电压下被损坏，并带来巨大的经济损失。

针对上述现象，可以采用安装浪涌保护器的方式来解决。其能够抑制由于雷电导致的信号线路之间的情况，保证了信号在通过电力线和信号传输线这一过程中形成的瞬时过电压不会超过机组能够承受的临界值，并且还能同时将过大的电流泄流至大地上，避免了系统与设备被破坏。风力发电机组的防雷需要严格执行标准对浪涌保护器进行安装，其中以三级浪涌保护器最为常见。第一级保护器安装的位置选择在塔筒内部总进线的位置，发挥着将风力发电机组被雷击后形成的几万伏甚至数十万伏的浪涌电压器转变成2500 至3500 伏这一范围内，避免因为浪涌电压过高导致风力发电机组电子电气设备被损坏。第二级浪涌保护器安装的位置选择在分配电源处，其发挥着吸收上一级浪涌保护器剩余的电压以及区域内遭受电磁感应的设备能够正常运行。虽然第一级电涌保护器可以吸收直击雷电的能量，但是依然有一部分损坏电子电器的能量残存下来，并且对电子电气设备造成损坏，此时便需要通过第二级浪涌保护器吸收完残存下来的能量，实现浪涌电压下降至1500～2000 伏。第三级浪涌保护器安装的部位为塔筒中的信号控制处，气主要是讲第二级浪涌保护性处理后残留的浪涌电压控制在1000 伏以内，从而避免浪涌电压损坏设备[2]。

2.3 风力发电机组等电位连接

为了避免风力发电机组内部设备与系统之间在遭受雷击时产生电位差的情况，需要将机舱与塔筒、桨叶与轮毂、轮毂与机舱、尾舱与水平轴间、轮毂与机舱、尾舱与水平轴、机舱与塔筒等进行等电位连接，从而确保操作人员、设备以及线路的安全。其中桨叶与轮毂、轮毂与机舱、机场与塔筒、尾舱与水平轴采用螺栓连接法兰的方式进行等电位连接，剩余部分则采用焊接与铆接的方式连接，最后再将上述各个部件连接，形成一个电气整体，将雷电流迅速地经引下装置进入风机的接地系统内。注意在连接时，所有的过度电阻均应该在0.03 欧以下。关于机舱中的等位连接，主要做法是在机舱内设置1 个总体等电位接地排，其与机舱底座连接，其能够将风力发电机组中的各种槽、金属管、线缆、机柜的金属屏蔽层、机舱的接闪引下线以及电涌保护器的接地端全部连接至中等电位接地端子板上，同时将桨叶接闪引下线应用金属滑环与机舱底座相连。采用这类方法，虽然能够在一定程度上降低设备与系统之间形成电位差的风险，但是也会将一部分雷电流引入自机组电气系统中，导致补偿电容器击穿，损坏可控硅，情况严重时，还可能在母排之间形成拉弧。

为了避免上述情况的弊端，可以改进机舱等电位，具体操作如下：首先制作一个端子板，保证其和舱总等电位端子板连接至塔底接地装置再实现电涌保护器、金属屏蔽从的接地端全部与该总接地端子板相连接，各种及机舱的接闪引下线等部分及机舱的接引线等全部连接至机舱金属底座上，而桨叶接闪引下线则是通过金属滑环和机舱的底座连接在一起。机舱金属底座通过火花间隙型等电位连接器连接至电子电气设备等电位接地端子板间。这样连接的目的是：火花间隙型等电位连接器能够将直击雷电流散流路径和机箱中的感应雷电流散流二者而路径进行隔离，当直击的电流比较大时，此时火花间隙型等电位连接器发挥的作用是短路，那么设备与下同之间的电位差维持在较低水平，因此绝大多数的雷电流则是，如此便极大地降低了发电机组中电子与电子系统被雷击且损害的风险[3]。

2.4 防雷的接地设计

分析近年来风力发电机组的雷击故障可以发现：其中超过70%为电子电器设备损害，其中大部分电子电器均为因为雷电流入接地系统中毁坏了电子电器，因为接地电阻过大致使地电位升高导致。当风力发电机组遭受雷击时，因此接地电阻的数值越低时，雷击过后产生的过电压越小，缩短了雷电流引入大地的时间，高电压维持的时间越短，同时解除的电压与跨步电压也相应较小，保障了人员与设备的安全，可见在防雷接地设计时必须具备总体性。

风力发电机组的置，其原理为：风力发电机组的，如果在其周围安装环形的金属装置，相当于在风力发电机组底部设置了一个等电位面，这样不但可以避免瞬间过电压损坏风力发电机组电子电气设备，同时还能预防跨步电压损害工作人员。关于接地装置的制作，一般在与风力发电机组基础外缘距离超过5m 的位置设置一圈接地体，材质援用热镀锌，截面积不能小于60×6mm2，将其埋置在地下0.5m 以下，并保证其与基础钢筋连接点不低于4 处。假如风力发电机组塔基处的土壤电阻率较高时，接地电阻值不能达到工频接地电阻＜4 欧以及冲击接地电阻低于10 欧的要求，便需要沿下和朝外设置垂直的接地体和水平的接地体，同时应用降阻剂对水平接地体进行包埋。风力发电机组的基础和箱式变压器应用的是同一套防雷接地系统，其同时具备工作接地、安全接地以及防静电接地[4]。

3 结语

综上所述，风力发电机组作为一个整体系统，关于其雷电防护系统的设计必须综合考量风力发电机组内部组成部分的雷电防护，要从整体入手，结合各个结构的需求设计防雷系统，如此才能达到满意的防雷效果和经济效益，减少雷电对风力发电机组造成的危害，推动我国风力发电朝着可持续方向发展。