高原地區(qū)風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)防雷技術(shù)研究

姚敬海 趙煜 張恩壽 李永進(jìn)

摘 要：高原地區(qū)雷擊頻繁，應(yīng)用于高原地區(qū)的風(fēng)機(jī)因雷擊造成巨大損失，風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)就是經(jīng)常遭到雷擊的部件。為保證風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)安全運(yùn)行，從高原地區(qū)雷電特性、風(fēng)機(jī)偏航遭雷擊過(guò)程分析、沖擊波沖擊風(fēng)機(jī)試驗(yàn)三方面討論高原地區(qū)電機(jī)偏航系統(tǒng)防雷問(wèn)題，得到風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)遭受雷電沖擊時(shí)造成損壞是因雷電流過(guò)大，偏航系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重，感應(yīng)電流過(guò)大的原因。提出了通過(guò)保證雷電流泄放路徑的暢通，減小接地電阻，增設(shè)避雷帶，在風(fēng)葉與偏航系統(tǒng)之間增加絕緣層減小雷電對(duì)偏航系統(tǒng)的損害。

關(guān)鍵詞：防雷 偏航系統(tǒng) 高原地區(qū)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）03（c）-0040-02

Abstract： There are frequent lightning strikes in the plateau area， and the fan caused by lightning strikes in the plateau area is a huge loss. The fan yaw system is the part that is frequently struck by lightning. Yaw system safe operation in order to ensure the fan， the fan yaw from lightning lightning characteristics in plateau area， process analysis， shock waves hit the fan test three aspects to discuss plateau motor yaw system lightning protection， lightning hit fan yaw system is obtained when the damage is caused by lightning through the large， yaw system fever is serious， the reason of the induced current is too large. By means of ensuring the unimpeded path of the lightning discharge path， the grounding resistance is reduced and the lightning protection belt is added， and the damage of the lightning to the yaw system is decreased between the wind and the yaw system.

Key Words： Lightning protection； Yaw system； Plateau area

風(fēng)電是新興的清潔能源，也是可再生能源，礦產(chǎn)資源使用日益緊張，開(kāi)發(fā)新能源勢(shì)在必行。風(fēng)電的開(kāi)發(fā)利用已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，目前通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，且風(fēng)能與電能的轉(zhuǎn)化效率已達(dá)到40%，每年的電能產(chǎn)量達(dá)幾千億千瓦時(shí)，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)生活的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。但是仍然面臨著很多問(wèn)題，其中雷擊問(wèn)題對(duì)風(fēng)機(jī)已經(jīng)造成了很大的損失，也逐步引起了風(fēng)電企業(yè)的重視，風(fēng)電行業(yè)也亦將防雷問(wèn)題視為檢驗(yàn)風(fēng)機(jī)安全可靠性能的重要指標(biāo)[1]。風(fēng)機(jī)的防雷設(shè)計(jì)影響著風(fēng)機(jī)遭到雷擊的概率，以及風(fēng)機(jī)遭到雷擊后，風(fēng)機(jī)各部件的毀壞程度。風(fēng)機(jī)單機(jī)容量越來(lái)越大，高度越來(lái)越高，在高海拔地區(qū)運(yùn)用越來(lái)越廣，遭雷擊的風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越大。關(guān)于風(fēng)機(jī)遭受雷擊的機(jī)理研究和風(fēng)機(jī)的防雷措施，很多專家做出了大量研究，其中包括風(fēng)機(jī)的高度與風(fēng)機(jī)的引雷能力、風(fēng)葉的形狀與風(fēng)機(jī)的引雷能力、風(fēng)機(jī)的構(gòu)造材料與風(fēng)機(jī)的抗雷擊能力等[2]。偏航系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)的重要組成部分，當(dāng)風(fēng)速矢量的方向變化時(shí)，風(fēng)向標(biāo)作為感應(yīng)元件將風(fēng)向的變化用電信號(hào)傳遞到偏航電機(jī)的控制回路的處理器里，經(jīng)過(guò)比較后處理器給偏航電機(jī)發(fā)出順時(shí)針或逆時(shí)針的偏航命令；為了減少偏航時(shí)的陀螺力矩，電機(jī)轉(zhuǎn)速將通過(guò)同軸聯(lián)接的減速器減速后，將偏航力矩作用在回轉(zhuǎn)體大齒輪上，帶動(dòng)風(fēng)輪偏航對(duì)風(fēng)；當(dāng)對(duì)風(fēng)完成后，風(fēng)向標(biāo)失去電信號(hào)，電機(jī)停止工作，偏航過(guò)程結(jié)束，以便使風(fēng)輪獲得最大的風(fēng)能。大中型風(fēng)力機(jī)一般采用電動(dòng)的偏航系統(tǒng)來(lái)調(diào)整風(fēng)輪并使其對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。偏航系統(tǒng)一般包括感應(yīng)風(fēng)向的風(fēng)向標(biāo)、傳感器、偏航系統(tǒng)控制處理器、偏航電機(jī)、偏航行星齒輪減速器、偏航制動(dòng)器（偏航阻尼或偏航卡鉗）、回轉(zhuǎn)體大齒輪等[3]。

1 高原地區(qū)雷電特性

1.1 雷擊頻率大

高海拔地區(qū)雷暴天氣頻繁，風(fēng)機(jī)遭受雷電沖擊的概率大，風(fēng)機(jī)防雷問(wèn)題對(duì)電機(jī)的維護(hù)、電能的持續(xù)供應(yīng)意義重大[4]。

1.2 雷電能量大

高海拔地區(qū)雖然雷電流比低海拔地區(qū)小一些，但是雷電能量還是非常大，在沒(méi)有良好的防雷設(shè)計(jì)情況下，風(fēng)機(jī)組的偏航系統(tǒng)不能承受直擊雷，偏航系統(tǒng)一旦被擊中，損壞是毀滅性的。風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)內(nèi)部安裝了控制偏航系統(tǒng)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的處理器、檢測(cè)周?chē)h(huán)境的檢測(cè)裝置、通信傳導(dǎo)設(shè)備等敏感的電氣元件。雷電發(fā)生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高速變化的電磁場(chǎng)，會(huì)在這些電氣元件電路內(nèi)感應(yīng)出高強(qiáng)度的浪涌電流，對(duì)其造成破壞或者降低其壽命，甚至造成不能動(dòng)作或者錯(cuò)誤動(dòng)作，增加不必要的損壞[4]。

1.3 接地電阻大

高原地區(qū)比較寒冷、凍土層厚、土壤電阻率高，防雷接地電阻很難滿足要求[5，6]。

2 防雷技術(shù)研究

2.1 風(fēng)機(jī)偏航結(jié)構(gòu)遭雷擊過(guò)程分析

直擊雷擊中風(fēng)機(jī)時(shí)，首先受到損壞的是風(fēng)葉，其次風(fēng)機(jī)的風(fēng)葉與偏航系統(tǒng)連接在一起，風(fēng)機(jī)的偏航系統(tǒng)也會(huì)有損壞。雷電流釋放巨大能量，雷電流過(guò)偏航系統(tǒng)時(shí)，使偏航系統(tǒng)溫度急劇升高，分解氣體高溫膨脹，內(nèi)壓力上升，造成風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)的爆裂破壞。由于過(guò)強(qiáng)雷電流在接閃路徑中形成高電位和高能量，致使金屬引線與偏航系統(tǒng)之間產(chǎn)生電位差而產(chǎn)生電弧，強(qiáng)雷電產(chǎn)生的高熱量致使偏航系統(tǒng)內(nèi)部銅纜及鋼絲繩熔斷[3]。雷擊造成風(fēng)機(jī)損壞還與雷電流強(qiáng)度有關(guān)，如果雷電流足夠大，可能導(dǎo)致金屬熔化，在雷電流路徑上一旦形成電弧就會(huì)在發(fā)生電弧的地方出現(xiàn)灼蝕斑點(diǎn)，會(huì)降低相關(guān)部件的使用壽命，甚至直接損毀[4]。雷電對(duì)偏航系統(tǒng)造成損壞的還有感應(yīng)過(guò)電壓，它與雷電流的陡度密切相關(guān)，雷電流陡度越大，感應(yīng)電壓就越高。感應(yīng)過(guò)電壓沿線路進(jìn)入偏航系統(tǒng)，會(huì)損壞偏航系統(tǒng)的控制器等電子元件[5]。因此，要消除機(jī)組因雷擊事故造成的危害，就要保證雷電流泄放路徑的暢通，尤其是接地裝置要能夠及時(shí)地將雷電流泄放入地。

2.2 沖擊波沖擊風(fēng)機(jī)試驗(yàn)

為研究偏航系統(tǒng)抗雷擊能力的影響機(jī)理，設(shè)計(jì)了1∶30風(fēng)機(jī)微縮模型，將其放置于高海拔實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，利用波形參數(shù)為250/2 500μs的負(fù)極性操作沖擊波開(kāi)展了風(fēng)機(jī)放電試驗(yàn)（用沖擊波沖擊風(fēng)機(jī)葉片）。試驗(yàn)采用升降法獲取了各工況條件下的50%放電電壓，并進(jìn)行了放電過(guò)程觀測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在2000～4000m海拔環(huán)境中，隨著海拔升高，空氣密度降低，環(huán)境溫度降低，偏航系統(tǒng)的溫度增大量成“V”變化，最小增大量為6482℃；在4000～5000m海拔環(huán)境中，隨著海拔升高，空氣密度降低，環(huán)境溫度降低，偏航系統(tǒng)的溫度增大量升高，最大增大量9567℃。沖擊電壓越高，偏航系統(tǒng)溫度越高。在相同的沖擊電壓下，偏航系統(tǒng)溫度的變化與偏航系統(tǒng)內(nèi)置的導(dǎo)電材料的導(dǎo)電性能相關(guān)，內(nèi)置導(dǎo)電材料的比沒(méi)有內(nèi)置導(dǎo)電材料的溫度增加量小，內(nèi)置材料導(dǎo)電性能好的比內(nèi)置材料導(dǎo)電性能差的溫度增加量小，偏航系統(tǒng)材質(zhì)導(dǎo)電性能好的比導(dǎo)電性能差的溫度增加量小。分析得到工作環(huán)境、內(nèi)部增設(shè)導(dǎo)電材料與否、偏航系統(tǒng)材質(zhì)的導(dǎo)電性能的效果影響著偏航系統(tǒng)的電荷分布與溫度變化。試驗(yàn)結(jié)果為風(fēng)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考借鑒。

為減少偏航系統(tǒng)被雷電，特對(duì)偏航進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

（1）根據(jù)雷擊次數(shù)的統(tǒng)計(jì)，將風(fēng)電場(chǎng)建在雷擊頻率小的地區(qū)。

（2）在偏航系統(tǒng)內(nèi)部增加導(dǎo)電性能良好的導(dǎo)線，在偏航系統(tǒng)表面粘貼金屬箔，形成分段式避雷帶；再通過(guò)風(fēng)機(jī)自身防雷系統(tǒng)將電流引導(dǎo)至大地，約束雷電，保護(hù)偏航系統(tǒng)。

（3）在風(fēng)葉與偏航系統(tǒng)之間增加絕緣層，減小沖擊電壓，改善偏航系統(tǒng)的抗雷擊能力。

3 結(jié)語(yǔ)

高原地區(qū)雷電能量巨大，雷擊方式復(fù)雜，雷擊頻繁，風(fēng)機(jī)高度較高，遭受雷擊的概率較大。從高原地區(qū)雷電特性、風(fēng)機(jī)偏航遭雷擊過(guò)程分析、沖擊波沖擊風(fēng)機(jī)試驗(yàn)三方面討論高原地區(qū)電機(jī)偏航系統(tǒng)防雷問(wèn)題。為預(yù)防風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)被擊毀，提出了保證雷電流泄放路徑的暢通、在偏航系統(tǒng)內(nèi)部增加導(dǎo)電性能良好的導(dǎo)線、在偏航系統(tǒng)表面粘貼金屬箔從而形成分段式避雷帶、在風(fēng)葉與偏航系統(tǒng)之間增加絕緣層以減小沖擊電壓等防雷措施。

參考文獻(xiàn)

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