風力發電機組的氣象防雷保護

阿迪力·阿布力克木 陳丹

摘要：：隨著風力發電機組單機容量的不斷増大，風機輪轂高度和葉片高點也在不斷増高，在曠野、山頂和沿海地區，風機遭受雷擊的概率非常大。從各風場反饋的情況來看，雷擊不但是造成風機故障停機的重要因素，甚至直接影響風電場的安全運行。本文首先從雷電的破壞機理和形式入手，對雷電的防護區域進行了劃分，并提出了風力發電機組的防雷保護設計原則和防雷系統工程方案;而后對風機整機系統的防雷保護進行了系統的分析，并提出了具體的防雷保護方法。

關鍵詞：風力發電? 防雷? 雷電

1引言

風能是一種綠色、安全的清潔能源，也是當前技術最成熟、最具備規模開發條件的可再生能源。近年來，風力發電機組的單機容量越來越大，為了吸收更多能量，輪毅高度和葉輪直徑不斷增高;同時，高原、沿海、海上等新型風力發電機組的開發，使風力發電機組開始大量應用于高原、沿海、海上等地形更為復雜，環境更為惡劣的地區，更加加大了風力發電機組被雷擊的風險。據統計， 風電機組故障中，由遭遇雷擊導致的故障占到4%。電具有極大的破壞力，雷擊釋放的巨大能量會造成風力發電機組葉片損壞、發電機絕緣擊穿、控制元器件燒毀等故障，給風電場帶來直接和間接的巨大經濟損失， 此風力發電機組的防雷保護已日益引起各個風電機組制造廠家和風電機組研發設計人員的重視。風電機組的防雷是一個綜合性的工程，防雷設計的到位與否，直接關系到風電機組在雷雨天氣時能否正常工作，并且確保風電機組內的各種設備不受損害。

2雷電的產生及危害

雷電是雷云間或雷云與地面物體間的放電現象，電位差可達數兆瓦甚至十兆瓦，放電電流幾十千安甚至幾百千安。經驗表明，對地放電的雷云絕大部分帶負電荷，當雷暴經過大地時，云塊下方原本負電荷充電的幾公里的雷暴范圍內的大地可以變為正極充電。這些正電荷會集中在垂的物體上，比如樹木和高聳的建筑物。這些物體向上釋放出正極的放電，并試圖與從云塊發出的向下的負極放電相結合，當正負電荷相結合時，閃電就發生了。

2.1雷電的破壞形式

風力發電機一般都是安裝在空曠的地方，并且明顯高于附近的建筑物和樹木，所以整個風機是暴露在直接雷擊的威脅下，尤其是葉片。因被雷擊中的概率與該物體高度的平方成正比，況且風力發電機幾乎任何地方都可能成為雷擊的附著點，當任一點被雷擊中時，它都將成為雷電流泄放的通路。風力發電機組的內部有很多的電子電氣設備，比如控制柜、驅動裝置、傳感器、變頻器、執行機構，以及相應的總線系統等。設備遭雷擊受損通常有4種情況，1.設備直接遭受雷擊而損壞;2.雷電脈沖沿著與設備相連的信號線、電源線或其他金屬管線侵人設備使其受損;3.設備接地體在雷擊時產生瞬間高電位形成地電位“反擊”而損壞;4.設備因安裝的方法或安裝位置不當，受雷電在空間分布的電場、磁場影響而損壞。雖然國際電工委員會（IEC）于2002年已經頒布了風電機組的防雷推薦標準（IEC/TR 61400-24），但該標準僅制定了一套設計導則[5]，只是用于雷電防護的一般情況，其內容多限于一般性和經驗性的設計原則，但沒有規定量化的設計條款和具體的實施細則，對雷電瞬態過程的防護措施設置尚不夠規范[6]。

2.2雷電防護區域的劃分

雷電防護區域的提出是為了更好的保護風機系統里的電氣部件。風電機組系統利用半徑30m的滾球法可以分為幾個不同的區域。雷電防護系統依據標準制定劃分區域，目的是為了減少電磁干擾與可預見的藕合干擾。國際電工委員會對防雷過電壓保護的防護區域劃分為：LPZO區（LPZA、LPZOB），LPZI區，LPZ2區.

LPZ0A區有直擊雷（繞雷）侵襲的危險， 完全處在電磁場環境中，具有雷擊電涌破壞的可能。這個區域包括：葉片、機艙罩避雷針系統、塔架、架空電力線、風電場通訊電纜;LPZOB區沒有直擊的危險，但電磁場環境與雷電電涌沒有任何減低[5]。這類區域包括葉片加熱部分、環境測量傳感器、航標燈未平蔽的機艙內部、發電機、齒輪箱、冷卻系統、傳動系統、電氣控制柜、傳感器、電纜。以上部位是遭受直擊雷（繞雷）或不遭受直擊雷，但電磁場沒有衰減的部位。

LPZl區可選擇SPD保護設備，存在電涌破壞的危險，電磁場由于屏蔽作用已經減弱。這類區域包括機艙內、塔架內的設備如電纜、發電機、齒輪箱等。

LPZ2區電涌破壞進一步減弱，電磁破壞影響更小。這類區域包括塔架內電氣柜中的設備，特別是屏蔽較好的弱電部分。

3 防雷和過電壓保護設計

3.1風力發電機組的雷電接受和傳導途徑

雷電由在葉片表面接閃電極引導，由雷電引下線傳到葉片根部，通過葉片根部傳給葉片法蘭，通過葉片法蘭和變槳軸承傳到輪轂，通過輪轂法蘭和主軸承傳到主軸，通過主軸和基座傳到偏航軸承，通過偏航軸承和塔架最終導入接地網。

3.2外部直擊雷的保護設計

葉片 ：葉片防雷系統包含接閃器和敷設在葉片內腔連接到葉片根部的導引線.雷電接閃器是一個特殊設計的不銹鋼螺桿，裝置在葉片尖部，即葉片最可能被襲擊的部位，接閃器可以經受多次雷電的襲擊，受損后也可以更換。雷電傳導部分在葉片內部將雷電從接閃器通過導引線導入葉片根部的金屬法蘭，通過輪轂、主軸傳至機艙，再通過偏航軸承和塔架最終導入接地網。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。

3.3機艙

機艙主機架與葉片、機艙頂上避雷棒連接，再連接到塔架和基礎的接地網。避雷棒用作保護風速計和風標免受雷擊，在遭受雷擊的情況下將雷電流通過接地電纜傳到機艙上層平臺，避免雷電流沿傳動系統的傳導。機艙上層平臺為鋼結構件，機艙內的零部件都通過接地線與之相連，接地線盡可能地短直。

3.4塔架及引下線

專設的引下線連接機艙和塔架，減輕電壓降，跨越偏航環，機艙和偏航制動盤通過接地線連接，因此，雷擊時將不會受到傷害，通過引下線將雷電順利地引入大地。

3.5接地網

接地網設在混凝土基礎的周圍[3]。接地網包括1個50平方毫米銅環導體，置在離基礎地下 1 m 處;每隔一定距離打入地下鍍銅接地棒，作為銅導電環的補充 ;銅導電環連接到塔架 2 個相反位置，地面的控制器連接到連接點之一。有的設計在銅環導體與塔基中間加上兩個環導體，使跨步電壓更加改善。如果風機放置在高地電阻區域 ， 地網將要延伸保證地電阻達到規范要求。一個有效的接地系統，應保證雷電入地，為人員和動物提供最大限度的安全，以及保護風機部件不受損壞。日本學者利用時域有限差分法對于機組的含接地環的接地體進行了電磁暫態的分析，并得出了環形電極對機組防雷保護的基本特性[7]，[8]。

3.6內部防雷（過電壓）保護系統

為了預防雷電效應，對處在機艙內的金屬設備如 ：金屬構架、金屬裝置、電氣裝置、通信裝置和外來的導體應作等電位連接，連接母線與接地裝置連接。匯集到機艙底座的雷電流，傳送到塔架，由塔架本體將雷電流傳輸到底部，并通過接入點傳輸到接地網。

3.7等電位匯接和隔離

風速計、風標和環境溫度傳感器在機艙內一起等電位接地 ;機艙的所有組件如避雷針、主軸承、發電機、齒輪箱和液壓站等以合適尺寸的接地帶，連接到機艙主框作為等電位 ;主空開進線電纜接地線與控制柜、變壓器和電抗器在塔底接地匯流排上作等電位連接 ;地面開關盤框由一個封閉金屬盒，連接到地等電位。在機艙上的處理器和地面控制器通信，采用光纖電纜連接 ;對處理器和傳感器，分開供電的直流電源。

4雷電響應

4.1 葉片的雷電暫態響應

首先雷電流從葉片頂端注入，電流源波形為10/350畔，雷電流幅值為lOOkA。

上圖4-1，所示為雷電流注入風機時葉片上雷電流波形。從圖中可以看出葉片上的雷電流波形和10/350%雷電流波形走勢是大體相同的，只不過雷電流波形發生了一定的振蕩， 這是因為電網絡結構是由電感和電容組成的，電路本身的自振頻率，使得部分的高頻電流會通過電路，從而使葉片上通過的電流出現振蕩，另外EMTP軟件中在求解這種暫態電路是利用梯形積分法來求解的，會放大高頻電流的影響，這樣也會使得電流出現振蕩。

下圖是雷電流從槳葉上注入，其上的電壓抬升情況的數值計算的仿真。在此是將槳葉平均分為四段，將槳葉上分段結點由上往下依次標號為結點a、b、c， d、e，那么其上各節點的電壓波形如下圖4-2。

可以看出雷電一旦擊中風機葉片會有幾十甚至幾百千安的電流通過，相應的槳葉殼體上的電壓最大抬升可達幾兆伏，由于槳葉內部是空心的機械結構，那么當電壓增加到一定的程度時，槳葉內空氣承受不住瞬間的這種高電壓，就會葉片的殼體內發生電壓反擊，從而產生電弧，對葉片造成機械損害。另外，為了更好地反映葉片遭受雷擊時，其上的電壓分布情況，本文通過對葉片上的各節點的電壓取平均值，繪制出了各結點電壓平均值在葉片本體上的變化曲線。

本文中機組的槳葉長度為40m，其中上圖中橫坐標軸為零時，此時對應的是槳葉最端的結點電壓，那么橫坐標為40時，所對應的是槳葉最下端的電壓。從上圖4-3可以看出：雷電流在槳葉往下傳播時，其上的電壓下降了 1.25%左右。

雖然葉片的殼體由玻璃纖維（GRP）、碳纖維增強塑料（CFRP）等高電阻率的材料組成，但在這么強大的雷電流作用下就很容易產生導電路徑，在葉片上出現的放電通道可能有三條，即葉片殼體外表面、內表面和殼體材料疊層交界處。在一次雷電放電中，這三種放電路徑并不一定只有一個，也可能雷電流在這三種路徑之間來回跳變重復發生，并且在此期間時常伴有電弧的出現，弧道溫度一般高達幾萬攝氏度，這么高的溫度會嚴重燒毀殼體材料，同時高溫會使葉片內部產生高壓力沖擊波，對葉片造成機械損傷（出現葉片裂縫，嚴重時導致葉片斷裂）。因此， 對葉片的電壓數值計算是非常必要的，現在，國際上對于風機葉片的防雷保護通常采用IEC-1024-1的I級保護水平設計，一般在葉片尖部嵌裝圓盤形接閃器，接閃器與設置在葉片內部并跨接葉片全長的引下導體作電氣連接，其目的就是為了雷電流能順利的通過葉片，減少對葉片的損傷。

隨著風電機組單機容量增大，葉片長度在增加，對于長度大于20m的葉片來說采用單接閃器加內置引下線措施通常已不再可靠，為此，現在較為實用的做法是在葉片上加裝多個接閃器，這樣可以大幅度地改善防雷裝置對雷電下行先導的攔截性能，減小葉片表面非接閃器部位的雷擊概率。目前這種做法巳經在MW級的機組上投入使用。

4.2軸承的雷電暫態響應

在機組葉片受雷擊接閃后，雷電流由葉片根部傳導到機艙主軸，流過主軸的雷電流又會通過軸承導入到下面的塔體上。而在這一過程中，軸承是最易受到雷電流損害的部件。當有強大的雷電流通過軸承時，雷電流很容易在軸承處的間隙發生油膜放電，產生電弧灼燒軸承，很有可能使軸承表面的部分金屬發生熔化， 產生灼燒斑點，這樣會造成軸和軸承工作時，大大加大兩者之間的機械磨損，噪聲增大，明顯縮短工作壽命。在文獻[1]中提出了簡單軸承模型注入雷電流的試驗， 試驗中得出了通過的雷電流幅值與軸承損傷面積之間的關系，如下圖

從上圖中可以看出：在軸承所受機械負荷一定的情況下（即軸與被測軸承之間接觸面積一定），最大損傷面積總是隨著注入電流的增大而增大，幾乎是一個正比例增長的關系;在注入電流一定的情況下最大損傷面積隨著軸承所受機械負荷的增大而減小。呈現這一現象的原因：注入電流加大，其熱效應增強，熱損壞作用增強，相應的最大損傷面積增大;在機械負荷增大，軸與軸承之間的接觸面積增大，這樣可以改善雷電流在軸承內的傳導條件，能減弱熱損耗的作用。

從上面的試驗結果可以看出：要減少雷電流對軸承的危害，一般方法有兩種： 一、減小注入機組軸承的雷電流的大小;二、適當的增大軸承上的機械負荷。至于第二種方法難以應用到現實中，因為增加機組的機械負荷很可能對機組的機械性能造成影響。因此，現實中對機組的軸承防雷，常采用措施是在軸承前端設置一條與其并行的低阻通道，對于沿軸承傳來的雷電流實施旁路分流，使雷電流盡可能少的流過軸承。為了達到這一目的，常用導體滑環、電刷和放電管等，具體的旁路分流通道設置見文獻[1]。采用旁路分流后，軸承的電路模型是由軸承的電容和軸承與電刷之間的接觸電阻相并聯組成。

下圖4-5（a、b）分別為雷電流經過機艙主軸承和機組加裝分流電刷電路的雷電流。從下面兩圖中可以明顯看出;在風機未采用低阻的旁路放電防雷措施時， 軸承上流過的雷電流的幅值在100kA左右，而對機組的軸承采取防雷措施時，流經機組主軸承上的雷電流幅值明顯減小，此時雷電流幅值降到18kA左右，而大部分雷電流是經過旁路放電通道往下傳播的，所以采用旁路電刷低阻通道可以明顯地降低流過機組軸承上的雷電流，對軸承的防護起到有效的保護作用。

結論

雷電是影響機組可靠安全運行的實際因素，對風電機組的災害性正備受人們的關注;就現有己公布的文獻來看，關于風力發電機組雷電瞬態過程的研究，國際和國內尚未開展專門的研究工作。在理論分析方面，缺乏機組的雷電瞬態分析模型和瞬態效應數值計算方法。在保護設計方面，缺乏充分可靠的設計依據，對風電機機組遭受雷擊時其本體結構上各部位出現的瞬態電位抬高水平和過電壓危害程度沒有提出可供保護設計參考的量化指標。為此，本文從理論分析、數值計算以及模擬試驗三方面對風力發電機組在遭受直接雷擊的瞬態模擬過程進行研究。下面就本文的相關工作和結論作如下總結：

當風力發電機組遭受雷擊時，強大的雷電流通常是從機組的葉片葉尖注入， 雷電流會沿機組的葉片到達葉片根部，流過主軸承和機艙導流路徑進入塔體頂部， 然后經塔體導入接地裝置，并由接地裝置散入大地。本文通過選取合適的算法， 詳細介紹了對雷電放電、葉片、機艙、塔體、接地裝置建立模型的方法，從而將整個導流路徑轉化成可以進行數值求解的電網絡。雷電流在機組的塔體上傳播時，各導體中雷電流波形與注入的雷電流波形基本一致;在雷電流往下傳播過程中，雷電流從注入點向塔體的其他分支導體擴散流動，其中水平分支導體起到分散電流的作用，而傾斜導體則是雷電流主要泄放的通道;電流在塔體頂層分布極不均勻，隨著電流往下傳播，各層導體的雷電流分布自上而下逐漸趨于均勻;當傾斜支路上的電流達到平衡狀態時，該層上傾斜導體的電流分量值之和，近似的等于注入機組的雷電流幅值。因此，在機組的防直擊雷設計時，一定要保證塔體各個分段連接良好，必要時還可以設置水平分流導體和采用引下線來分散電流，以便為機組提供雷電流泄放有效的通道。

參考文獻

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作者簡介：阿迪力·阿布力克木（1993-），男，維吾爾族，新疆吐魯番市鄯善縣人，大學本科學歷，助理工程師，從事氣象局測報、氣象觀測、防雷工作。

通訊作者：陳丹，阿克蘇地區氣象局，助理工程師。