风力发电防雷关键技术及研究进展

尹俊磊

（大理州气象局 云南 大理 671000）

摘 要： 雷击造成的风力发电机组损害已经成为了一个公认的危害风力发电安全运行的问题，目前随着风力发电机组数量的增多，使得雷击破坏发生率比预期的有所扩大，导致维修费用已经达到了不可接受的水平，严重的影响了风力发电行业的健康发展。以下就对雷暴天气对风力发电机组的危害进行了分析，并在此基础上对接地系统防雷、机组叶片防雷、轴承防雷、机舱防雷及机组中设置电涌保护器等关键技术等风力发电防雷关键技术及研究进展进行了阐述。

关键词： 风力发电；雷击；防雷技术

我国是风电资源大国，风力发电在我国占据着重要的位置。因此，确保风力发电安全、有效的进行是一项十分重要的工作。然而据相关数据显示，影响风力发电安全、有效进行的主要事故中，雷击事故占据着较高的比例，据不完全统计雷击造成的风力发电机组事故占到了总事故的30%以上[1]。且由雷击造成的事故，在后期恢复生产过程中所需的维修费用巨大，给风力发电带来了极大的危害。因此，积极的研究风力发电防雷关键技术，最大程度上降低由于雷击事故带来的损害，是当前的一项重要任务。以下就对风力发电防雷关键技术及其研究进展进行了分析和阐述，以期为提高风力发电防雷水平提供参考。

1雷暴天气对风力发电机组的危害

雷暴天气对风力发电机组的危害，来自于直接损害和间接损害两个方面，直接损害主要是由于雷电流对风力发电机组的产生的热效应和机械效应。损害的主要对象是叶片、机械结构和轴承等；間接损害主要是雷电电磁感应和电涌过电压效应。在雷暴天气的侵袭之下，由雷电流引起的暂态电位升高，一方面会对风力发电机组中的电子设备、电气设备造成损害，另一方面还会对处在风力发电场中的工作人员，以及其中放牧的牲畜造成伤害。跨步电压也就是由雷电流引起的暂态电位升高，是损害风力发电机组的主要原因[2]。跨步电压越大对风力发电机组产生的危害越大，而跨步电压的大小则是受到多方面因素的影响的，主要包括的因素有接地体的结构尺寸、土壤的电阻率、雷电流幅值等。就拿土壤电阻率来说，对于电阻率较小的土壤，由于其地电位分布特性曲线变化比较平缓，因此地面上两点之间的电位差相对较小，当受到雷电流袭击时，产生的跨步电压也就比较小。反之，则产生的跨步电压就较大[3]。

2 风力发电防雷关键技术及研究进展

2.1接地系统防雷

接地系统是否做了充分的防雷设计是确保风力发电机组电子安全与工作人员人身安全的保障。从防雷来看，不管是避雷针、避雷器还是电涌保护器，这些防雷装置均需要接地处理，只有通过良好的接地处理，才能够将其受到的雷电流传到入地。因此，加强风力发电机组各个避雷装置的接地，才能够使其发挥良好的保护作用，提高风力发电机组的防雷效果。

2.2机组叶片防雷

目前随着风力发电机组单机容量的不断增大，导致机组叶片的长度也随之增加。而当机组叶片的长度超过20m之后，传统的单接闪器联合内置导体的防雷方式就无法满足防雷需求，一旦遇到雷击可能会出现数目较大的非闪器部位雷击点，从而导致机组叶片遭受到雷击的概率大大提升，防雷可靠性急剧下降。鉴于此，为了避免这种情况，在实际中，对于长度超过20m的机组叶片，需在其上设置多个接闪器，并且将各个接闪器与内置引下导体作电气连接。通过这样的技术处理，能够显著的提升机组叶片的防雷可靠性，提升机组运行安全度。该技术目前已经在兆瓦级的风力发电机组叶片上投入使用，并且取得了较为理想的防雷效果[4]。

2.3轴承防雷

轴承防雷的主要技术就是在轴承前端设计一条与其并行的低阻通道，以此来对沿轴承传来的雷电流进行旁路分流，最大程度上减少流过轴承的雷电流。目前，在实际的应用中为了实现这一设计，使用最多的是导体滑环、电刷和放电器等设置电流旁路。但是在实际的应用的过程中，存在一个问题，那就是碳刷在摩擦接触传到雷电流时会在其上产生电弧，从而加剧其磨损程度，导致接触电阻增大，减弱旁路分流作用，对轴承的防雷保护性也随之降低。鉴于这一问题，可将传统的碳刷改为磨损性能更加的铜质电刷。

2.4机舱防雷

在通常情况下，风力发电机机组叶片上做设置的接闪器和引下导体就能够很好的将来自发电机机舱前方和上方的雷电进行拦截并下行先导，这是在60m以下的情况。但是当超过60m以上，雷电就能够从任何方向对发电机机舱进行袭击，导致发电机机舱防雷能力减弱。为了解决这一问题，就需要在发电机机舱的尾部安装避雷针，一方面能够很好地对发电机机舱尾部的气象站实施保护，另一方面能够避免发电机机舱尾部遭受直接的雷击，提高防雷效果。而对于发电机机组叶片上没有采取防雷措施和防雷装置的机组，单纯在发电机机舱尾部设置避雷针的方式就无法满足防雷要求，而是需要在发电机机舱前端及尾部，同时均设置避雷针，才能够确保发电机机舱的防雷可靠性。并且在必要时，还需在发电机机舱的表面放置金属带和金属网，进一步加强发电机机舱的雷电防御效果。

2.5机组中设置电涌保护器

在风力发电机组中设置电涌保护器是雷电防护的基本措施，作用是把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，保护设备或系统不受冲击而损坏，电涌保护器根据其具体的功能分为电源电涌保护器和信号电涌保护器两大类，其中的电源电涌保护器是通过设置在电力线路上发挥防雷作用的；而其中的信号电涌保护器则是通过设置在信号线路上发挥防雷作用的。通过电涌保护器的应用能够有效地防止雷电电涌沿着显露侵害端的电气设备和电子设备。

3 小结

综上所述，只有从风力发电的机组叶片接闪分流措施、机电系统抗雷电过电压及接地系统等环节入手，深入研究其关键风雷技术并进行应用，才能够显著提升风力发电机组的防雷可靠性，促使风力发电安全运行。

参考文献

[1]阿依古丽·买买提，张伟.试论风力发电机组控制方法改进策略研究[J].电脑知识与技术，2014（06）.

[2]梅卫群，江燕如，建筑防雷工程与设计[M].气象出版社，2012.

[3]IEC TR 61400-24：2002，风力发电机组第 24 部分雷电防护[S].

[4]鄢小安，贾民平. 参数优化的组合形态-hat变换及其在风力发电机组故障诊断中的应用[J]. 机械工程学报，2016（13）.