风力发电系统防雷设计研究

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　　摘  要：文章闡述了风力发电在全球及国内的装机情况，解析了风力发电系统雷电防护的设计方法，指出了现行的一些雷电防护设计存在的问题，给出了改进方案，并提出了风场整体防雷和主动避让雷电的新思路。对于提高风力发电系统雷电防护的整体效果及经济性有一定的借鉴作用。
　　关键词：风力发电系统;雷电防护;防雷设计
　　中图分类号：TM614         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）35-0076-03
　　Abstract： This paper describes the installation of wind power in the world and in China， analyses components of lightning protection system for wind turbine， points out existing problems of some lightning protection， raises an improved scheme and puts forward a new idea of integral lightning protection as well as activelightning avoidance. It can be utilized for reference to improve the effect and economicof lightning protection in Wind power generation system.
　　Keywords： wind power generation system; lightning protection; lightning protection design
　　引言
　　风能是一种取之不尽，用之不竭的可再生清洁能源，全世界的风能储量高达2.74×106GW，中国的风能开发潜力也在2.5×103GW以上。近年来，随着风力发电技术的提升，其成本也在不断降低，全球的风力发电增长迅猛，我国的风电行业更是获得了跨越式的发展。截止2018年，全球风电装机总容量达到了6×102GW，其发电量满足了世界电力需求的6%，我国的风电装机容量为2.21×102GW，约占全球装机容量的37%，位居世界第一。
　　为了充分的利用风能，风电机组多安装在山坡、沙漠和海边滩涂等风力强大的开阔区域，而风机又很高，如当今风力发电机组的主流机型2.5MW的风机，其桨叶顶端高度达到了200m以上，且风电机组附近鲜少有其他高大物体，因而风力发电机组就成为周围空间的制高点，易被雷电击中，若防雷措施不力，则会造成重大的损失。据统计，德国每年由于雷电造成的风电机组故障为8.0%，丹麦为3.9%，瑞典为5.8%，其中，德国因雷电造成的风电机组损坏中，电气电子控制系统的损坏占全部损坏的70%左右，主要原因是遭受雷击后的电磁感应产生的瞬间过电流和过电压所导致，风机叶片损坏占到全部损坏的20%左右[1]，主要原因是由雷电直击造成的机械损坏和热性灰化;中国气象研究院对302个风机雷击案例的统计分析表明，电子电气控制系统的损坏占总数的71%，而叶片损坏占28%左右[2]。风机遭雷电损坏后，除了要花费高昂的配件和更换维修费用，还有停止发电造成的损失，经济损失巨大。长此以往，有可能会影响到整个风力发电行业的可持续发展。因而，做好风电场的防雷工作至关重要。
　　本文主要介绍风电场常规的防雷设计、存在的问题及解决方法，并探讨雷电防护在技术发展方向的一些新思路。
　　1 风电机组的防雷设计
　　风电机组的防雷设计主要包括接闪和引下、浪涌保护器的使用、等电位连接、防雷的接地设计等[3]。
　　1.1 风机的接闪和引下
　　风电机组中，风机叶片的最高点即为风机最高点，当有雷暴发生时，其最易受到雷击，如我国海南东方风电场因雷击造成的风机叶片损坏率达高达5.56片/（百片·年）。现今风机叶片的表面材料大多是玻璃纤维，其为绝缘体，若雷电击中叶片时，无法将强大的雷电流迅速传走，则雷电产生的强大的热作用和机械作用将直接作用于叶片上而将其损坏，而叶片的维修费用在所有的风机雷电故障中又是最高的[4]。因而需要在叶片上安装易于接闪、抗机械和热损伤能力强，并易于拆卸的接闪器。
　　风机叶片的接闪器一般是在叶片表面安装若干组铜质圆盘（直径为150-200mm）或不锈钢圆盘（直径范围为50-80cm），每组接闪圆盘是在叶片的正反两面各安装一只。为了保障叶片结构的稳定，接闪圆盘不能太多，一般来说，长度小于25m的叶片，只在尖端安装一组，叶片长度每增加10m增加一组接闪圆盘。引下线是在叶片内设一条金属导线，把接闪盘和风叶底部的轮毂连接起来。当雷电袭来时，接闪圆盘接闪之后雷电流通过引线及轮毂将其传到塔筒。塔筒的金属结构可充当导体，将雷电流引入风机的接地装置散入大地。
　　但要注意的是，由于生产塔筒过程中在搭接时存在缝隙大和搭接面偏离等问题，以塔筒做导体导雷在泄放雷电流时会产生拉弧现象，因而沿塔筒搭接面导雷时，需使用较大面积的电缆进行跨接，另外还需加大压接端子之间的接触面积，加装保护罩对可能产生的拉弧处进行必要保护。
　　风力发电机舱尾端处在与叶片相对应的位置。当雷电出现在机舱的尾端时，就会超出叶片防护区域，可能使机舱内的电气设施和设备被雷击破坏，故而需要在其尾部设置一接闪短杆，再经由引下线和接地装置把雷电流引入地下进行散流，从而起到防雷电的效果。
　　1.2 浪涌保护器的使用
　　浪涌保护器也叫防雷器，是一种为各种仪器仪表、通讯线路、电子设备等提供安全防护的电子装置。它的作用原理是在极短的时间内导通分流，以避免浪涌对回路中仪表线路和设备的损害。 　　风机若被雷电击中，会在机组内部产生很强的电磁场，其通过线缆传输时会产生浪涌性的过电压和过电流[5]。现代风电机组内部，均安装有大量的电子和微电子集成设备，因而电子电器设备和系统很易被超高的浪涌电压损坏，造成巨大的经济损失。为了避免此种情况的出现，就必须使用浪涌保护器。浪涌保护器可以抑制因雷电引起的信号线路间、电源与接地的金属管线之间的高电位差，能够把进入信号传输线和电力线的瞬时过电压控制在其能承受的电压范围内，同时把过大的雷电流泄流到大地，以防止设备和系统遭受破坏。
　　风电机组的防雷应根据GB50343标准规定安装合适的浪涌保护器，一般安装三级浪涌保护器。
　　第一级浪涌保护器安装在塔筒内部的总进出线处，其作用主要是将风电机组遭遇雷击后所产生的几万甚至几十万伏的浪涌电压降低到2500V-3000V，防止超高的浪涌电压损坏风电机组的电子电器设备。
　　第二级浪涌保护器一般安装在分配电源处，主要针对第一级浪涌保护器的剩余电压和区域中受到电磁感应影响的设备进行保护。在第一级电涌保护器对直击雷电的能量进行吸收时，总有部分仍能损坏电子电器设备的能量残存下来且可能损坏电子电器设备，这时，第二级浪涌保护器就能进一步吸收这些能量，将浪涌电压降低到1500-2000V。
　　第三级浪涌保护器安装在塔筒内部的信号控制系统处，主要是对雷电电磁脉冲和经过第二级浪涌保护器的剩余雷击能量加以防护，将剩余浪涌电压降低到不超过1000V，以确保浪涌电压不损坏设备。
　　1.3 风电机组的等电位连接
　　为了防止风电机组内部的设备和系统间在雷击时出现危险的电位差，在桨叶与轮毂间，轮毂与机舱间、机舱和塔筒间、尾舵和水平轴间、机舱内和塔筒底部进行等电位连接，以保证操作人员和线路及设备的安全。
　　桨叶与轮毂间，轮毂与机舱间、机舱和塔筒间、尾舵和水平轴间的等电位连接，是用螺栓连接法兰、其他部分采用焊接和铆接的方式进行连接，最终将上述各部件连成一个电气整体，以使雷电流快速的通过引下装置进入风机的接地系统。连接时，所有的过度电阻不能超过0.03Ω。
　　机舱内的等电位连接，是在机舱内设置一个与机舱底座相连的总体等电位接地排，将各种金属管、槽、机架、机柜、线缆的金属屏蔽层、电子电器设备的金属外壳、机舱的接闪引下线、电涌保护器的接地端等全部连接到总等电位接地端子板上;桨叶接闪引下线经过金属滑环连接到机舱底座上。此种连接方法，固然能减少设备和系统之间产生危险电位差，但却可能将部分雷电流引入机组电气系统，造成补偿电容器击穿，可控硅损坏，严重时，可在母排间产生拉弧。
　　为了防止上述弊端的产生，可对机舱等电位连接方法进行改进，具体方法为：制作一个与机舱底座绝缘的机舱总电子电器设备等电位接地的端子板，用一根绝缘的铜芯PE线将机舱总等电位端子板和塔底接地装置进行连接，线缆的金属屏蔽层、电泳保护器的接地端都连到该总接地端子板上，而各种金属管、槽、机架、机柜、线缆的金属屏蔽层、电子电器设备的金属外壳、机舱的接闪引下线等连接到机舱的金属底座上，桨叶接闪引下线经过金属滑环连接到机舱底座上。再用火花间隙型等电位连接器将机舱金属底座和电子电气设备总等电位接地端子板间连接起来。该法的好处是：将直击雷电流散流路径与机箱内的感应雷电流散流路径用火花间隙等电位连接器隔离开来，当直击雷电流很大时，瞬间火花间隙等电位连接器就几乎短路，使系统和设备间的电位差保持在很低的水平，雷电流则大部分顺着PE线到达塔筒底部的接地装置而被散放到大地，这样就可大大减少发电机组的电子、电气系统被雷击损坏的概率[6]。
　　机组塔筒底部的等电位连接是在塔筒的底部设置一个塔底总等电位接地端子排，将其用铜芯电缆与风机的环形地网连接在一起，铜芯线缆通过塔筒基础时，要与其内的钢筋绝缘。塔筒底部的机架、机柜、线缆的金属屏蔽层、所有电子电器的金属外壳、浪涌保護器的接地端等都连接到塔底的总等电位接地端子板上，机组的各控制柜和电子电器设备的箱体均用独立的接地线以最短的距离连接到塔底的总等电位接地排上。
　　1.4 防雷的接地设计
　　风机的雷击故障中，电子电器设备的损坏占70%以上，而多数电子电器的损坏是因为雷电流进入接地系统时，由于接地电阻过高造成地电位抬升所引起。当风电机组被雷电击中时，接地装置需要将雷电流快速安全的引入大地，而此时，接地电阻的数值越小，则由雷电产生的过电压就越低，雷电流进入大地的速度越快，高电压持续的时间也越短，其接触电压和跨步电压也比较小，从而有利于人员和设备的安全，接地系统的设计必须有总体性。
　　风机的接地装置一般是在塔筒基础周围设置环形接地装置[7]，这是因为风机位的底部结构是一个由金属材料构成的大型笼体，若在其周边设置环形金属装置，等于在风机位周围设置了一个等电位面，既可以防止瞬间过电压造成的风机电子电器设备的损坏，还可以防止跨步电压造成的人员伤害。接地装置的制作通常是在距风机基础外缘超过5m处设置一圈由截面积不小于60×6mm2的热镀锌扁钢制作的接地体，环形接地体一般埋置在地下0.5m以下，此环形接地装置和基础钢筋进行至少四处的连接。如果风机塔基处土壤的电阻率较高，接地电阻值则达不到工频接地电阻不超过4Ω，冲击接地电阻不超过10Ω的要求，则需向下和向外敷设垂直接地体和水平接地体，同时使用降阻剂包埋水平接地体。风机基础与箱式变压器共同使用一套防雷接地系统，此接地系统同时作为安全接地、工作接地和防静电接地;风机接地体同塔筒的等电位压环和风机基础的钢筋相交点的连接必须可靠。
　　2 风电机组防雷技术新思路
　　2.1 风电场进行整体防雷
　　风电场的总体防雷指的是：依据雷击电气几何模型理论和电场强度大的地方引雷能力强的特性，把风电场作为一个整体，根据当地的地形、地势、气象条件和风电机组布局等情况，并考虑经济性，在风电场易受到雷击的位置设置若干个相互独立的接闪针塔，当雷电靠近风电场时，由于风电机组上电场强度远弱于独立接闪针塔顶处，就使得雷击发生在接闪针塔上，从而避免发电机组免受雷电破坏[8]。 　　2.2 主动避让雷电
　　加强雷电的预警，当雨云进入风电场时，风机及时停止工作，并使风机桨叶停在最不容易接闪的位置，如相对水平处，这样就可以大大减小桨叶被雷电击中的可能。因风机在工作时的运转较快，尤其是暴风雨来临时，其运转速度更快。运转中的风机，第一易于接闪，第二叶片和机舱处于旋转状态时，不易导流，第三风机在静止状态和快速转动情况下被雷电击中被破坏的程度差别极大，桨叶快速运转时，其动量和惯性都很大，遇上雷电强大的机械作用和热作用，很可能将风叶彻底破坏，而风叶在静止状态下接闪，则造成的破坏一般较小，修复容易，费用较低。另外，在风机遭遇雷击时，及时地切断电子电气线路，也可防止雷电形成的过电压通过线路传到相邻风电机组，使其遭受损坏[9]。
　　2.3 接地体的选择
　　我国风电场接地体使用的导体材料基本都是镀锌钢，而国外广泛使用的接地材料为铜和铜包钢。据美国科学家在45年中对29个试验场地的研究结果表明：不同导体材料的金属接地體的腐蚀情况差异较大。经过10年后：铜和铜包钢材料，接地体腐蚀的平均深度仅为1.13mils，平均每年的腐蚀深度为0.11mils，仅出现了轻微腐蚀;而镀锌钢，其腐蚀深度高达3.50mils，平均每年的腐蚀深度为0.35mils，且有腐蚀点出现在了镀锌层下面的钢上，呈现出严重腐蚀。在风电场的规模和单机发电量都日趋增大的情况下，其投资很大，要求风电机有较长的使用寿命，若因接地体过度腐蚀而使雷电泄流受阻从而造成风机的雷电损坏，其损失将是难以承受的。因而风机生产厂家应重视接地体材料的腐蚀问题，尤其是土壤中含水分和电解质较多的风电场，因这些地方的土壤接地体更易受到腐蚀。
　　3 结束语
　　风电场是一个整体，其防雷设计既需要考虑每个机组内部的防雷，如桨叶、机舱、轮毂及电子电气系统的防雷，又要有总体设计思路，这样才能有更好的经济效益和防雷效果，另外还应该认识到科技是不断发展的，只有把新的研究成果和技术不断的应用到风电机组的防雷设计中，才能更有效地减少雷电造成的危害和损失，实现风力发电的可持续发展。
　　参考文献：
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　　[9]陶世祺，张小青，耀武，等.考虑后续雷击的风电机组雷电暂态研究[J].中国电机工程学报，2018，38（18）：5326-5334.
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