淺析風電場防雷保護設計與措施

摘 要：由于風力發電場為獲得最佳的風資源，機組一般都安裝在周邊無遮擋的野外開闊地帶，容易遭受雷擊。文章通過闡述雷擊對風力發電機組造成的危害及其對雷電破壞機理的分析，提出相應的風力發電機組防雷保護設計理念及措施。

關鍵詞：雷擊；槳葉防雷；電涌保護器；接閃器；等電位

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）33-0020-02

1 概 述

雷電時帶電云層直接或通過地面物體對大地的瞬間放電現象。一次放電能量巨大。全球每年都會發生800多萬次的雷電放電。雷擊會造成地面的建筑物或人員的損傷。而風電場的風力發電機組大多安裝在野外空曠地帶，周圍沒有其他高大建筑物，更容易遭受雷擊。因此，風力發電機組無論是從設計還是施工，或者到正常生產維護，都需要考慮如何防雷的問題。

2 雷電破壞機理

2.1 雷擊熱效應

由于雷電流很大，通過的時間又短，如果雷電擊在樹上或建筑物構件上，被雷擊的物體瞬間將產生大量熱量，又來不及散發，以致物體內部的水份大量變成蒸氣，并迅速膨脹，產生巨大的爆炸力，造成破壞，稱為熱效應。根據有關的研究數據，雷擊金屬物體和非金屬物體熱量的產生可以由以下公式進行計算。

①金屬物體產生的熱量。

從以上兩個公式中可以發現，無論是非金屬還是金屬物質都與電流的大小成正比，持續時間長將使得被擊物體產生更高的熱量。風電機組的槳葉主要由玻璃纖維或碳纖維增強塑料、木質、鋼和鋁等材料組成。在風電機組葉片遭雷擊后，通常都可以發現葉片的接閃器有融化的現象，部分雷擊嚴重的還會發現葉片玻璃纖維的過火痕跡。

2.2 雷電的機械效應

根據有關資料研究，雷電的機械效應表現為電磁力和內壓力，根據電磁場理論，當兩個導體的電流方向相反時候將會產生相斥力，所以雷電流通過時候如果存在彎曲的導線將會產生較大的電磁力，損壞電氣設備。

一般認為，雷電對風電機組的破壞主要是內壓力，當雷擊槳葉時瞬間產生很高的熱量，短時間散發不出去，導致槳葉的局部溫度急劇上升，槳葉材料分解出的氣體將迅速膨脹，在葉片內腔產生破壞性的爆炸力，使得葉片開裂。如果在葉片中有水珠，由于產生的蒸汽的作用這種膨脹將會產生更大的破壞力。接觸不良的地方由于接觸電阻增大，也會產生很大的內壓力，產生的爆炸力甚至會將整個葉根撕裂，造成嚴重的損壞。

3 風電機組的防雷設計

3.1 葉片和軸承防雷保護設計

槳葉主要由玻璃纖維，碳纖維增強塑料、木質、鋼和鋁等材料組成，其結構為外殼加支撐梁組合。大量的研究資料表明，全絕緣槳葉遭受雷擊時比設置防雷裝置的葉片造成的損害要大。因此，無論定槳距葉片還是變槳距葉片都應設置防雷裝置。這種裝置，實際上是引雷裝置，是一種通過產生上行先導，有利于雷擊發生。這一點上其作用又類似于避雷針，是在葉片遭受雷擊時減少葉片損壞的一種措施，這種引雷裝置也稱為接閃器。接閃器一般為一個圓形的金屬塊，嵌在葉尖處。運行經驗表明，頂部接閃器的使用對于20 m以內的葉片是有效的。但是對于很長的葉片，僅在頂部的一個接閃器很達不到很好的防雷效果。

一旦雷電流被導引到葉片的根部，那么就要有保證電流安全通過塔架外側并接地的問題。必須使電流通過槳距、軸和偏航軸承而不危害發電機和在機艙中的敏感控制設備。風力機軸承可能因雷電流通過而損壞，通常大的、重載的軸承是不大可能突然損壞的，但它的工作壽命可能減少。目前還沒有在大的軸承周圍分流雷電流的有效方法，因為軸承本身是最低的自感應通道，因此對于高頻雷電流是優先路徑。控制和電氣系統對雷電流的保護是根據是否有可能遭受直擊雷及其電流的幅值大小，把風力發電機分成幾個區，預期每個分區中的電磁場。在每個區域內，各個元件保護承受預期的雷電影響。

3.2 電氣設備的防雷保護設計

3.2.1 電源系統的防雷保護

對于采用690 V/400 V的風電供電線路，要想防止沿低壓電源侵入的浪涌過電壓損壞設備，整個供電系統可采用三級保護原理，通過TN-S供電方式，使保護線PE與電源中性線N分離。這樣由于各級保護器（一、二、三級分別采用防雷擊電涌保護器、電涌保護器、終端設備保護器）的響應時間和放電能力不同，各級保護器之間相互配合使用。

3.2.2 控制柜內主控制器的防雷保護

PLC是控制系統的核心，且對電涌的抗擊能力較弱，可在其變壓器輸出端并聯防雷器。一旦有雷擊發生時，防雷器將自動合閘，將瞬態高壓雷電輸入大地。控制柜中的地線就近作等電位連接。

3.2.3 測控線路防雷保護

對于機艙外部的風向標、風速儀的線路，可以在塔底柜內的變送器前端加裝模擬信號防雷器或開關信號防雷器進行保護。對于較長的測控線路，可根據其重要性加裝防雷器。如塔頂按鈕信號到塔底主控PLC的模擬信號和開關信號，可分別加裝防雷器進行保護。

3.2.4 地基防雷接地體

地基接地體由兩個基礎的垂直接地體和一個環形接地體組成，要求工頻接地電阻在4～10 Ω的范圍內。環形接地體上焊4點鋼條引線到塔筒根部，再分別將鋼筋引線焊接到塔底環形接地排，組成塔底共同接地體，其中由兩點接地線匯集到控制箱接地母排上，另兩點可直接接塔底上引線去機艙。控制箱接地母排上接箱式變壓器中線、塔底控制系統地線。

應盡量降低接地電阻來提高系統的耐雷水平，降低接地電阻的措施是：加長接地體；變換電阻率小的接地導體；同時對接地土壤采用降阻劑來降低接地電阻。降阻劑是由專門生產的無機化學復合材料，使用時加水將其攪拌成糊狀，澆鑄接地體周圍，再回填土，埋好接地導體。

4 風電機組的輔助防雷措施

4.1 外部直擊雷的保護設計

葉片防雷保護設計，包含了接閃器和敷設在葉片內腔連接到葉片根部的導引線，葉片的鋁質根部連接到輪轂，引至機艙主機架，一直引入大地。葉片防雷系統的主要目標是避免雷電直擊葉片本體，而導致葉片本身發熱膨脹、迸裂損害。

機艙主機架除了與葉片相連，還連接機艙頂上避雷棒，避雷棒用作保護風速計和風標免受雷擊。主機架再連接到塔架和基礎的接地網。

專設的引下線連接機艙和塔架，減輕電壓降，跨越偏航環，機艙和偏航剎車盤通過接地線連接，因此，雷擊時將不受到傷害，通過引下線將雷電順利引入大地。

4.2 內部防雷（過電壓）保護

4.2.1 等電位連接

風速計和風標與避雷針一起等電位接地；機艙的所有組件如主軸、發電機、齒輪箱、液壓站等以合適尺寸的接地線，連接到機艙主柜作為等電位；地面開關盤由一個封閉金屬盒，連接到地等電位。

4.2.2 隔 離

機艙上的處理器和地面控制器通信，采用光纜連接；對處理器和傳感器，采用分開供電的直流電源。

4.2.3 安裝過電壓保護裝置

在發電機、開關盤、控制器模塊電子組件、信號電纜終端等，采用避雷器或壓敏電阻的過電壓保護。

5 風電機組運行中的有效防雷措施

投入生產的風電機組，為防止遭受雷擊，除自身的防雷設計保護外，還應采取以下維護措施，確保機組安全。

①及時修補表面受損的風機葉片，防止潮氣滲透入玻璃纖維層，造成內部受潮。

②定期清理葉片表面的污染物，一般污染物具有導電性，會造成接閃器失效。

③定期檢查從葉片引雷線、滑環至接地網的引雷通道接觸良好，及時清理引雷滑環的銹蝕，確保引雷通道阻值最小。

④定期測量風電機組接地電阻，確保接地電阻值在4 Ω以下并盡可能降低接地電阻。

⑤須確保風電機組電氣系統中所有的等電位連接無異常。

⑥定期檢查風電機組電氣回路的避雷器，及時更換失效的避雷器。

參考文獻：

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