大風(fēng)機(jī)雷電防護(hù)分析研究綜述

李鵬飛,張春龍,楊仲江

（1.黑龍江省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，黑龍江哈爾濱150030；2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院高緯度雷電研究實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150030；3.南京信息工程大學(xué)雷電高壓實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044）

大風(fēng)機(jī)雷電防護(hù)分析研究綜述

李鵬飛1,2,張春龍1,2,楊仲江2,3

（1.黑龍江省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，黑龍江哈爾濱150030；2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院高緯度雷電研究實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150030；3.南京信息工程大學(xué)雷電高壓實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044）

風(fēng)能作為一種清潔可再生能源，已成為我國(guó)能源戰(zhàn)略發(fā)展結(jié)構(gòu)重要組成部分。風(fēng)機(jī)是將風(fēng)能有效轉(zhuǎn)化為電能的主要裝置，中國(guó)風(fēng)機(jī)裝機(jī)總量發(fā)展迅猛，已經(jīng)躍居世界第一位。由于風(fēng)機(jī)的高度、裝備數(shù)量以及安裝位置等因素，其遭受雷擊的概率極高。本文基于雷電擊中風(fēng)機(jī)的可能性、危害方式以及風(fēng)機(jī)雷電防護(hù)主要的注意事項(xiàng)三個(gè)方面對(duì)風(fēng)機(jī)的雷電防護(hù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，為風(fēng)機(jī)防雷提供合理切實(shí)指導(dǎo)建議，減少雷電災(zāi)害對(duì)風(fēng)機(jī)的損害與降低風(fēng)機(jī)后續(xù)維護(hù)的人員、經(jīng)濟(jì)投入比例，節(jié)約成本。

風(fēng)機(jī);雷擊;可能性;危害方式

1 引言

全球面臨的能源緊缺問題已經(jīng)迫在眉睫，如何在現(xiàn)有條件下最大化尋找一種清潔的可再生能源，已是各個(gè)國(guó)家能源問題的重要計(jì)劃方針。而近年來(lái)科技制造水平的突飛猛進(jìn)，也同樣給風(fēng)力發(fā)電技術(shù)提供了前所未有的可能性。因此，近些年來(lái)我國(guó)的相關(guān)政策出臺(tái)，包括《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》和《促進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)施意見》等政策，給我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇與實(shí)踐。尤其以東北、青藏高原、內(nèi)蒙古以及東南沿海等地區(qū)裝載量巨大，目前，中國(guó)風(fēng)機(jī)裝機(jī)總量已經(jīng)躍居世界第一。

受風(fēng)能資源分布影響，一般風(fēng)機(jī)主要架設(shè)在周圍環(huán)境較為空曠的高海拔或者沿海等高風(fēng)能地區(qū)，加之目前風(fēng)機(jī)頂點(diǎn)高度已經(jīng)突破100 m，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)尤為突兀，遭受雷擊的事件愈發(fā)頻繁。同時(shí)，因交通條件不甚便利，進(jìn)一步增加了風(fēng)機(jī)雷擊損害后期維護(hù)的成本投入與難度。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，目前中國(guó)運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組的雷電事故損壞率遠(yuǎn)高于歐洲國(guó)家統(tǒng)計(jì)平均值。因此，進(jìn)行大風(fēng)機(jī)的雷電防護(hù)分析研究、確保設(shè)備可靠運(yùn)行具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 雷電擊中風(fēng)機(jī)可能性研究

雷電形成的必備條件之一是云中具有大量的電荷。當(dāng)云的電荷不斷地聚散，會(huì)導(dǎo)致空氣中電場(chǎng)的變化。此時(shí)，由于靜電感應(yīng)作用，會(huì)在其他金屬等物體上感應(yīng)出極性相反的電荷，特別是風(fēng)機(jī)的葉片，由于其具有一定的高度和長(zhǎng)度，因此可以近似的看成葉片是相對(duì)于云中電荷的另一個(gè)很大的電極體，這樣在電極體周圍會(huì)導(dǎo)致空氣中電場(chǎng)畸變，造成空氣發(fā)生游離，進(jìn)而滿足了自持放電的形成條件而發(fā)生氣體擊穿形成流注。這為后期雷電擊中風(fēng)機(jī)提供可能的通道傳輸條件。

3 雷電對(duì)風(fēng)機(jī)危害方式研究

一般來(lái)講，一次雷電放電的電荷量其實(shí)并不是很大，但是由于其形成放電通道以及發(fā)生放電的整個(gè)過程時(shí)間極其短暫，導(dǎo)致其電壓驟變陡度非常劇烈，瞬間可以產(chǎn)生幾萬(wàn)伏甚至幾十萬(wàn)伏的高壓，這使被擊中物可能瞬間產(chǎn)生燃燒甚至爆炸，因此具有很大的危害性。其次，由于雷電產(chǎn)生的瞬間，云中電荷放電導(dǎo)致云中電荷發(fā)生改變，導(dǎo)致周圍的電磁場(chǎng)也發(fā)生改變，導(dǎo)致在金屬線路中產(chǎn)生瞬間過電壓，也可能間接的對(duì)弱電等電子信息系統(tǒng)產(chǎn)生損害。因此，就危害方式而言，主要存在兩個(gè)方面，第一以雷擊產(chǎn)生的熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)為主的直接危害方式，第二以雷電電磁感應(yīng)和電涌過電壓效應(yīng)為主的間接危害方式。

3.1 雷電對(duì)風(fēng)機(jī)直接危害作用研究

當(dāng)風(fēng)機(jī)遭受雷擊的瞬間，雷云與風(fēng)機(jī)之間實(shí)際上形成了一個(gè)放電通道，雷電直接擊中風(fēng)機(jī)的葉片或者是繞擊中風(fēng)機(jī)的輪轂等位置后，會(huì)在瞬間產(chǎn)生陡增電壓，然后通過金屬導(dǎo)體泄放雷電流，其中峰值電流、電流陡度以及轉(zhuǎn)移電荷等與風(fēng)機(jī)遭受雷擊損壞有著密切的關(guān)系。根據(jù)歐姆定律可知，雷電流在泄放的過程中，當(dāng)通過電阻值較大的線路路徑就會(huì)產(chǎn)生熱量，如果線路的耐熱性以及線徑的尺寸等原因未達(dá)到相關(guān)要求，那么可能因熱效應(yīng)而發(fā)生過熱起火。其次，由于雷電流同時(shí)會(huì)在泄流通道具有機(jī)械效應(yīng)，那么這對(duì)風(fēng)電設(shè)施的葉片、齒輪、軸承和傳動(dòng)部件可造成直接的損壞，引起葉片斷裂、著火，損壞齒輪軸承的表面加速其磨損。有的直擊雷直接擊中風(fēng)電機(jī)艙造成火災(zāi)，導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn)，發(fā)生不可復(fù)原的毀滅性損害。嚴(yán)重危害風(fēng)電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。近年研究表明，隨著風(fēng)機(jī)的制作工藝水平的提升以及新復(fù)合材料的應(yīng)用，風(fēng)機(jī)的高度與體積的尺寸逐年增加，這使風(fēng)機(jī)遭受雷電損害的概率也隨之增加。

3.2 雷電對(duì)風(fēng)機(jī)間接危害作用研究

3.2.1 雷電的靜電感應(yīng)與電磁感應(yīng)災(zāi)害分析

（1）風(fēng)電場(chǎng)中機(jī)組的塔筒、配電設(shè)備柜和建筑物屋面金屬構(gòu)件等。當(dāng)這些設(shè)施上方有大量的雷云聚集，或者是有下行先導(dǎo)產(chǎn)生前，有大量的極性電荷產(chǎn)生，因靜電感應(yīng)作用會(huì)在雷云或者先導(dǎo)附近的導(dǎo)體或者金屬物上感應(yīng)出極性相反的大量電荷。同樣，聚集的大量電荷在泄放的過程中如果通道路徑中存在電阻過大的部位（如電氣接觸不良），就會(huì)出現(xiàn)短暫過電壓，對(duì)于絕緣效果不好的部位，可產(chǎn)生局部火花放電，這對(duì)風(fēng)機(jī)機(jī)筒內(nèi)的信息系統(tǒng)設(shè)備以及風(fēng)機(jī)關(guān)聯(lián)設(shè)備附近的人員來(lái)說(shuō)是一種安全隱患。

（2）在雷云附近的架空輸電（或者通信線纜）上，因雷云過境位置的改變或者雷云對(duì)地放電前后電荷量的改變。線纜導(dǎo)體因靜電感應(yīng)作用而大量積聚的極性電荷將成為無(wú)束縛的自由電荷，并對(duì)地形成高電位，當(dāng)自由電荷因雷云位置或者雷云電荷量的改變后向線路的兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，就形成了過電壓波，可傳導(dǎo)到風(fēng)機(jī)艙端。

（3）同樣情況下，通常布置風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部的各種信號(hào)線路和電源線路，由于設(shè)置的需要，這些線路往往會(huì)在機(jī)組內(nèi)部的不同空間位置上構(gòu)成導(dǎo)體回路和回環(huán)。沿各路徑流過的雷電流所產(chǎn)生的暫態(tài)脈沖磁場(chǎng)，將會(huì)在風(fēng)電機(jī)組內(nèi)的各種導(dǎo)體回路和回環(huán)中感應(yīng)出暫態(tài)過電流和過電壓，損壞回路或回環(huán)端接的電子設(shè)備和相關(guān)器件。

3.2.2 雷電的電涌過電壓災(zāi)害分析

此外，風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊時(shí)，風(fēng)機(jī)塔頂雷電流傳遞到塔底，經(jīng)過接地體泄放到大地的瞬間，其暫態(tài)電位抬高、地電位抬高以及跨步電壓和接觸電壓抬升，不僅可能對(duì)風(fēng)電機(jī)組中的電氣和電子設(shè)備造成危害，而且也可能對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中的人員、牲畜造成傷害。

4 風(fēng)機(jī)雷電防護(hù)主要的注意事項(xiàng)影響

（1）土壤電阻率影響。由于很多風(fēng)機(jī)安裝在山頂，其底座土壤電阻率較大，需要采取合理的手段降低土壤電阻率對(duì)接地電阻的影響。此外，接地方式也是根據(jù)實(shí)際安裝場(chǎng)地的變化需要合理的進(jìn)行設(shè)計(jì)，以求達(dá)到電阻的最小值。

（2）等電位連接的影響。等電位連接效果的因素主要有連接方式和連接材料的選擇，連接體要盡可能的短、避免彎曲，否則容易造成機(jī)艙內(nèi)部的弱電電子設(shè)備發(fā)生大面積損壞，導(dǎo)致后期維護(hù)耗費(fèi)巨大。

（3）屏蔽的影響。由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部各種回路較大，在雷電靜電感應(yīng)作用下容易在各種回路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，可能導(dǎo)致回路端電子設(shè)備和器件受到損壞。因此需要做好設(shè)備以及線路屏蔽保護(hù)。

（4）浪涌保護(hù)器安裝的影響。需要參照相關(guān)要求，對(duì)風(fēng)機(jī)電源系統(tǒng)、信號(hào)弱電系統(tǒng)進(jìn)行安裝匹配的浪涌保護(hù)器進(jìn)行過壓保護(hù)，一般主要采用三級(jí)防護(hù)的方式。

（5）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部設(shè)施防雷擊起火影響。一旦雷擊發(fā)生接近百米高度，消防滅火可行性小。因此，為減緩甚至防止風(fēng)機(jī)內(nèi)部起火燃燒，在風(fēng)機(jī)內(nèi)部設(shè)備潤(rùn)滑油、液壓油選用阻燃油，設(shè)置溫度監(jiān)控、火災(zāi)遠(yuǎn)程報(bào)警裝置，從源頭減少雷電引發(fā)火災(zāi)的概率，及時(shí)跟蹤。

（6）35 kV架空線路的影響。需要提高風(fēng)機(jī)組配電中壓線路的絕緣和防電磁脈沖水平，防止配電線路因直接雷擊（線路附近）或雷電感應(yīng)而引起線路閃絡(luò)和故障，造成跳閘甚至導(dǎo)致相關(guān)開關(guān)設(shè)備受損。

5 結(jié)論

綜上所述，風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的影響因素很多。雷電防護(hù)與檢修過程中，要充分考慮各個(gè)因素的影響程度，整體合理的進(jìn)行研究分析,才能做到防患于未然，降低后期的維護(hù)成本與投入。

1002－252X（2017）02－0032－02

2017－3－1

李鵬飛（1989-），男，江蘇省東海縣人，南京信息工程大學(xué)，碩士生，助理工程師.