风力发电机组风轮防雷接地技改方案

汪希俐

摘要： 随着机组的持续运行，沿海地区的高温潮湿的气候，风电机组的抗腐蚀性正经受着验。本文针对高栏风电场的气候条件，针对风机的接地系统故障数据统计、实测分析查找因，制定相应对策，完成该风电场的机组改造工作。

关键词： 防雷接地;碳刷磨损;合金丝导电刷

【中图分类号】TM862.1【文献标识码】A【文章编号】1674-3733（2020）15-0212-01

1引言

风力发电机组运行的可靠性最重要的一个问题是叶片的防雷技术。随着风力发电机组的高度的不断增加，机组遭受雷击的概率也会成正比增加。近年来，风电机组的服役年限的增加，叶片雷击损伤的故障越来越多。也就暴露出风轮接地系统存在的问题。

可以认为雷击是一个电流源。目前纪录到的单次雷击电流最大值在 300kA左右。纪录到的电荷转移和比能的最大值分别为400C和 20MJ/Ω。在世界范围，这些最大值发生的百分比极少。中等量值的雷电流峰值大约为30kA，转移电荷和比能分别为5.2C和55kJ/Ω。此外，雷击的电气特性随雷闪的类型和地理位置而变化。

2风轮防雷系统

风轮的防雷系统由接闪器（叶片尖部的接闪点）导流线-风轮-主轴-塔架-基础-接地网流入大地。当雷电直接击中接闪器，可通过上述的通道泄放入大地。

3问题描述与分析

近几年，高栏风电场叶片雷击故障多发，叶尖雷击开裂、雷击穿孔、内部碳化等;风电场对近几年来运行数据统计，叶片遭雷击的年故障率占6%，给风场带来直接和间接的巨大经济损失，另外其维修成本高，故障停机时间长。现运行的运达750风机所采用的风轮与机舱底架之间的防雷接地是通过安装在机舱前部主轴正下方的两个接地碳刷（K14Z3）与风轮锁紧盘斜面相接触来实现的，造成通过多年运行分析，存在以下问题：

3.1接触电阻太大，导电效果不好。分析认为高栏风电场经常出现叶尖因雷击损坏与该问题有很大关系。高栏风电场所处位置为雷电多发区，风轮和机舱是相对旋转的，即使叶片防雷设计的很好，但传导电流的系统（包括接閃器、导流线、连接器和转动部分的防雷碳刷）和接地系统的电阻过大使导流不畅，导致雷击电流不能完全对地释放产生热量，从而造成叶尖的开裂等问题的发生。通过观察发现导致导电效果不好的主要原因有两方面：

（1）因高栏风电场所处地区空气盐雾比较严重，而该防雷接触面又无法进行任何防腐材料的涂抹，所以造成该接触面锈蚀严重，接触面与防雷碳刷之间形成锈蚀层后必然导致导电能力的下降及接触面积的减小从而大大降低了导电性能;

风轮锁紧盘的斜面与接地碳刷的接触面上严重锈蚀，形成一层氧化层，维护时进行打磨后，仍然暴露在高温潮湿的空气中，短时间内又形成氧化层，并且通过工作中观察发现此情况在每一台风机上都是同样存在的。

（2）碳刷磨损快，无法保证及时更换。因为接触面氧化层的存在，使接触面表面凸凹不平，导致接触面光滑度下降，甚至出现类似锉刀，加速了接地碳刷的磨损，在日常工作中无法做到特别及时的对磨损失效的碳刷进行更换，很大程度的导致单碳刷接触运行或无碳刷接触运行，从而进一步降低了风轮防雷接地电流释放的能力。

3.2备件消耗多、人员工作量大。因该接触面粗糙，碳刷磨损速度加快，导致每年要更换大量的碳刷及碳刷弹簧。同时登塔维修更换也增加了现场人员的工作量。

3.3安装位置空间狭小，检查、更换作业不便。因碳刷所安装位置在机舱最前端并且是主轴的正下方，作业空间位置特别狭小加之碳刷引线螺栓锈蚀等原因导致更换、检查时特别不方便

4解决方法

为有效解决以上问题，对风轮防雷接地系统中的导电刷部分进行技改。

4.1取消原防雷接地碳刷改用防雷合金丝导电刷，因为合金丝导电刷刷与旋转部位间的接触属于多点的点接触，对接触表面光滑度要求不高，并且在旋转过程中，导电刷合金丝会对接触面有打磨作用，可以有效防止锈蚀层的积累与形成。

4.2自行设计制作导电刷支架，将安装位置由主轴下方改到主轴上方便于安装、检查的位置，同时将接触面由风轮锁紧盘斜面处改为主轴风轮法兰靠近主轴承一侧的外表面上（如图），对导电刷与机组主轴的接触面处防腐层打磨2.0cm宽，保证导电刷金属接触良好，在主轴承端盖侧相邻的两颗螺栓固定导电刷支架。

5技改要求

5.1通过网上查找发现可以应用与此的防雷合金丝刷外型尺寸、安装孔位等不尽相同。材料选用导电性能良好而耐腐蚀的刷体，刷丝采用耐磨且导电性较好的合金丝;

5.2所需的电刷支架要待电刷确定后依据其数据及风机上所测安装位置数据进行设计制作，电刷固定螺栓也需要根据电刷安装孔尺寸进行采购。电刷支架和固定螺钉需用镀锌材料的。

5.2为增加导电性，需在电刷支架与机舱底架之间加装两根线径10平方毫米接地导线，两端压接接线端子并镀锡;

5.3考虑到高栏地区雷电频繁，为能更好的导出雷电流，每台风机在同一支架上安装两支相同的导电刷。

6结束语

本文介绍了高栏风电场的机组风轮防雷接地系统存在的问题，并根据所发现的问题提出有效的解决方式，通过采用新型的刷体结构，改进安装位置，彻底解决该电厂处于沿海区域，存在盐雾及其他不利因素造成的防雷碳刷失效，造成叶片损坏的情况。通过近两年的实际使用，改造效果良好，雷雨天气未再出现叶尖遭雷击损坏的情况，降低故障率，提升经济效益，该改造方案通过选取不同材质、不同尺寸的刷体可应用于600KW至4000KW现有各不同容量的双馈、直驱、半直驱风力发电机组，能彻底有效的改善采用老式碳刷结构的防雷系统存在的各种问题，现阶段国内3-5MW大功率机组部分叶片采取外部增加防雷碳刷的接地结构，而普遍都采用老式碳刷的安装方式，经常出现刷体掉落导致的功能失效，且安装位置位于轮毂根部1.5米左右，更换难度较大，也建议业内同行采取类似的方式进行整改，提高整体行业水平。

参考文献

[1]徐玉秀，张承东.风力机叶片应变响应分形特征及损伤识别研究[J].机械科学与技术.2009（01）.

[2]毛火军，石可重，李宏利，王建礼.大型风电叶片的模态测试与数值模拟[J].工程热物理学报.2009（04）.