简论风力发电机组防雷性能改善的内容和方法

熊芳瑜+叶平+郑立新

摘要： 本文从优化和改善风力发电机组雷电流泄流路径、桨叶及机舱的防雷性能、接地装置的效能和SPD在线安全运行性能等5个方面，全面阐述了改善和优化风力发电机组综合防雷的性能的内容和方法，以期为风力发电机组防雷安全设计、施工和检测提供技术支持，为风力发电机组的持续可靠运行保驾护航。

Abstract： In this paper， the authors improve the lightning protection performance of wind turbine generators from five aspects： optimizing and improving the lightning current leakage path of the wind turbine， the lightning protection performance of the blades and nacelle， the performance of the grounding device and the safety performance of the SPD on-line， in order to provide technical support for lightning protection design， construction and testing of wind power plant and the continuous and reliable operation of wind turbines escort.

关键词： 风电机组；防雷性能；优化；改善

Key words： wind turbine；lightning protection performance；optimization；improvement

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）01-0141-03

0 引言

风力发电是我国清洁能源开发和建设的重要组成部分，其对国民经济的发展具有十分重要的战略意义。风力发电机组通常设置在风力较大的地区，例如海岸、丘陵、山脊，而这些地区又多是雷电多发区，因此，对于雷电的危害来说，风力发电机组所处的运行环境是较为恶劣的。

为了保证风力发电机组持续可靠地运行，在进行风场建设时，通常会根据综合防雷的理论，对风力发电机组的桨叶、机舱、电气系统和控制系统等重要组成部分采取综合防雷保护，以期降低风力发电机组遭受雷击而造成损失的风险。当风力发电机组安装了综合防雷设施后，这些防雷设施的运行性能的好坏就直接关系到风力发电机组防雷安全性能的优劣，所以，为确保风力发电机组防雷设施的运行性能，我们应根据风力发电机组防雷设施的实际运行的状况，全面优化和改善这些防雷设施的性能，最大限度减小因防雷设施失效而对风电机组造成损害的风险。

1 优化风力发电机组的雷电流泄流路径

通常情况下，风力发电机组均布置在非常容易受到雷击的场地，例如山区、海岸、丘陵等等，而这些地区正是雷电多发区，致使风力发电机组常遭雷击而损失严重。为达到减小风力发电机组遭受雷电流危害的目的，首先必须优化风力发电机组的雷电流路径。

如图1所示，采取切实可行的措施，确保雷电流从风轮叶片上的防雷装置或机舱尾部的避雷针经电刷、机舱底板和偏航系统滑环等环节导入塔筒，再经机组的接地装置散入大地，充分发挥风电机组外部LPS装置的法拉第笼对雷电流的屏蔽和旁路作用，以降低雷电对风电机组的危害。具体优化措施如下：

①对风电机组外部LPS装置如下部位作电气通路连接，可采用焊接和搭接方式，确保其连接的直流過度电阻？燮0.2？赘；1）桨叶的接闪金属导体与桨叶根部引下线连接点；2）机舱上的接闪器（杆、网）与引下线的连接点；3）风轮桨叶引下线与轮毂的连接；4）机舱上的接闪器装置引下线与接地装置的连接；5）塔筒引下线与接地装置的连接；6）金属爬梯的顶端或底端与接地装置的连接；7）塔筒的每两段之间的连接。

②对于作为LPS构成部分的电刷，滑轮等运动摩擦接触部位，应采用以下措施以增大通流容量和减小接触电阻：1）采用导电性能良好、耐摩强度大的材料；2）增大接触部位的接触面积。

2 改善风力发电机组桨叶的防雷性能

现代风力发电机组的桨叶是由玻璃纤维增强复合材料（GRP）或碳纤维增强塑料（CRP）制成的大型中空结构，当发生雷击时，雷电会击中桨叶，其电弧对叶片内部的损害将是非常严重的。因此，桨叶的雷电防护的关键问题是如何将雷电流安全地从雷击点传导至轮毂上，并通过引下线、接地装置将其泄放入地，只有这样才能避免在桨叶内部产生电弧损坏。具体改善桨叶防雷性能的内容和方法如下：

2.1 优化桨叶接闪器的拦截效率

①对于采用不连续金属导体作为桨叶表面或内部接闪雷电的接闪器，必须考虑这些不连续金属导体的间隔距离。在桨叶表面布置的实心导体、分段式避雷装置和不连续的接闪器时，须使桨叶表面没有防护的部分遭受雷击的可能性降至可以接受的水平。当沿桨叶表面的闪络电压小于桨叶外表面的击穿电压时，给定拦截效率的分段式接闪器各段的间隔距离，理论上等于实心导体的间隔距离。在实际的应用中，防雷接闪器的拦截效率达不到100%，故我们可以根据实际应用的需要，从桨叶叶尖部开始，每隔不大于15m的距离设计安装一个接闪器为宜。

②通过提升桨叶的雷电传导能力来提升桨叶拦截效率。其主要方法是在桨叶表面材料本身增加传导材料，这些传导材料可以是喷涂在桨叶表面的金属、复合材料最外层的金属涂层、嵌入复合材料外层的金属丝或配置在复合材料表面下方的金属丝，等等。

2.2 提升桨叶抗沿面闪络的能力

我们知道，固体介质与气体介质分界面上的电场分布越均匀，其沿面闪络电压就越高，即其抗沿面闪络的能力就越强。从风力发电机组运行的环境来看，其桨叶表面状况将对其雷击损坏程度有明显的影响。一是桨叶表面不光滑、不均匀状况的影响。当发生雷击时，雷电将在桨叶表面产生畸变雷击电场；若在桨叶表面还形成水膜，则其中的离子受电场的作用会沿桨叶表面运动，这些状况，将导致桨叶表面的沿面闪络电压下降，桨叶将更易遭雷电放电击穿而损坏。二是桨叶表面受到诸如盐分污染或油污污染时，其沿面闪络电压将降低，更易遭受雷击损坏。因此，为改善桨叶的防雷性能，就必须保持桨叶表面光滑、均匀和免遭污染，以提升其抗沿面闪络的能力。endprint

2.3 提升风力发电机组桨叶防雷接闪器及其引下线承受雷电流所引起的电应力、热应力和电动力的能力

当桨叶防雷接闪器和引下线有雷电流通过时，其将受热温度升高，导致机械强度减弱。接闪器和引下线材料温升计算公式如下：θ-θ。=■×exp■-1（1）

式中： θ-θ。——接闪器、引下线导体温升，K；？琢——电阻的温度系数，1/K；W/R ——冲击电流比能，J/？赘；？籽o——环境温度下导体的电阻率，？赘·m；q——导体的截面积，m2；r——材料密度，kg/m2；CW——比热容，J/kg。

因此，为提升桨叶防雷接闪器、引下线承受雷电流所引起的电应力、热应力和电动力的能力，应采取切实有效措施，尽量使用截面积尺寸较大的金属导体材料，其最小截面积如表1所示。

3 改善风力发电机组机舱防雷性能

机舱是风力发电机组重要组成部分，其内设备众多，既有强电设施，亦有弱电设备，故其防雷的任务是比较繁重的。为改善风力发电机组机舱的防雷性能，应从以下几个方面着手：

3.1 改善机舱防雷设施的屏蔽性能

要改善机舱防雷设施的屏蔽性能，应从三个方面优化机舱及其内设施（备）的屏蔽措施：一是优化机舱的壳体外部屏蔽措施。我们知道，风力发电机组的机舱罩分为金属类和非金属类两种，当机舱罩为非金属类时，可在机舱罩表面布置金属网（带），并做好接地，以提升初级屏蔽效能；当机舱罩为金属材料制成时，这相当于一个法拉第笼，只要将机舱罩做良好的接地即可。二是优化机舱壳体内部空间屏蔽措施。为改善和提升机舱的屏蔽性能，对于非金属材料制成的机舱罩，应在其内部设置金属网与金属框架等构成内部屏蔽空间，建议这种金属网和金属框架（法拉第笼）的最大网格尺寸为到有风险的最近设施（备）距离的1/3。三是优化机舱内设备及线缆的屏蔽措施。一方面机舱内除了需要隔离的设备外，其金属外壳均应与机舱底板连接，并做好接地，提升次级屏蔽保护性能，同时，这些设备还应做好等电位连接，以实现等电位，防止各设备之间在雷击时出现过大的暂态电位差而导致反击的发生，危及人身安全。另一方面，必须优化和加强对进入机舱的电缆和导线的屏蔽保护，凡进入机舱的电缆和导线应采用双层屏蔽措施，且外屏蔽层应采用多点接地，内屏蔽层则采用单点接地，确保进入机舱的电缆和导线不会将大部分雷电流或瞬态过电压传导进入机舱，达到优化防雷保护性能的目的。

3.2 提升和优化风电机组机舱内轴承和齿轮箱承受因雷电流而引起的热应力的能力

改善和优化轴承和齿轮箱承受雷电流热应力能力的途径有两种：一是旁路分流方法。即在低速轴前端建立低阻抗通道分流。这要求电刷和滑环应采用导电性能良好的而抗强度高的材料，同时尽量增大其接触面积，以加大通流容量和减少接触电阻。二是阻断隔离方法，即在通过轴承的电流通道中某一环节加入足够大的电阻或绝缘层来增加轴承、齿轮箱和连接机舱底板的高速轴的雷电流通道中插入绝缘能力大于10kV、1.2/50？滋s的绝缘层，以阻断雷电流。

4 改善和优化风力发电机组接地装置性

风场是由较大数量的风力发电机组组成，基于长水平接地极（>50m）的高电感意味着即使的确降低了整个风场接地系统的直流阻抗，也不能完全减少雷电过电压的峰值的事实，我们认为：风电场接地效能的优劣取决于每一风力发电机组接地装置的接地性能的好坏。那么，我们可以采取以下的优化措施来改善每一风电机组的接地装置的接地性能：

4.1 适度加大接地极的尺寸，降低接地装置的接地电阻

通常情况下，风力发电机组应采用B型接地装置，根据GB/T21714.3的相关规定，B型接地装置的等效圆接地面积应Se不小于LPS的接地极的最小长度（l1）为半径所包围的面积S1，即：Se>S1（2） Se=？仔re2（3） S1=？仔le2（4）

式中：re——B形接地极所在区域的等效半径，m；

l1——水平接地极的最小长度，m；l1的取值根据GB/T21714.3确定。

根据式（2）、（3）、（4）可知，对于不同防雷类别的风电机组，其接地极的尺寸必须满足规范要求，将其接地电阻降至10？赘以下，才能确保接地装置及时泄散雷电流，并达到电位均衡的要求。

4.2 采取必要措施，改善和优化接地极的性能稳定性和持久性

风力发电机组的接地装置性能会随时间的变化而变化，其性能参数的变化会极大地影响接地装置泄流能力和电位均衡，因此，接地装置性能的稳定和持久运行将决定和影响风电机组的正常运行。我们可以从两个方面采取切实可行措施，改善和优化接地极的性能的稳定性和持久性。

①提高风电机组接地极的使用寿命。要提升风电机组接地极的使用寿命，必须从接地极的材料的选择入手。为保证风电机组接地装置具有较长的使用寿命（？叟40年），建议其接地极材料采用铜材或覆铜钢为宜。同时，在接地装置的施工过程中，还必须做好防腐蚀措施，接地极的原材料应与其连接部件、固定部件的材料具有相同的电化学特性，且在湿气和腐蚀的土壤环境中，有良好的耐腐蚀特性。例如，铜材接地极，除非其部件采取了防腐蚀措施，否则，在任何其他情况下，不能安装在镀锌钢材、铝材上面。

②采取措施，稳定风电机组接地装置的接地电阻值。一是要保证接地装置在使用期限内，其接地极整个长度都具有永久的导电连接；二是根据接地装置所在土壤的状况，多采用垂直接地极，以期获得不随时间和季节变化的稳定电阻；三是风机机组接地极应与现有的埋地电缆和金属管道以及其他接地装置保持足够的安全距离，避免彼此间的相互干扰而影响其接地电阻值。

5 改善和优化电涌保护器（SPD）的在线运行性能

①应充分考虑和分析风电机组强电和弱电系统中不同位置SPD的电气环境和工作环境。SPD能否胜任其安装点的工作任務，首先，取决于其在浪涌条件下承受的应力，这一应力是很多复杂且相关参数的函数：1）风电机组内部SPD的位置；2）雷击风电设备的耦合方法；3）风电机组内雷电流的分配；4）进入风电机组相关设施的阻抗和电感；5）雷电骚扰的波形；等等。其次，SPD正常完成其工作任务，还取决于SPD的工作环境，即SPD工作环境温度、湿度等气象要素对其的影响。endprint

②要提升SPD在线运行的性能，应在选择SPD的安装位置时，充分考虑其经济得益和技术得益的原则。所谓SPD安装位置选择的经济得益，就是指SPD所能保护的风电设备的数目越多越好。这就要求SPD须安装在风电机组的LPZ0与LPZ1交界处；所谓SPD安装位置选择的技术得益，就是指SPD越靠近被保护的风电设备，则其保护效果越好。

③为提升SPD在风电机组内在线安全运行的性能，须重视其性能参数的选择，降低其在线运行的安全风险。在进行SPD性能参数的选型时，尤其对Uc、Up和通流容量（In、Iimp、Imax）的选择给予高度重视，避免产生SPD在线运行的安全问题。

④改善和优化SPD在线安全运行的性能，还应减少SPD装置中及其连接导体的寄生电感。要保证SPD能在电涌电压作用下及时可靠地动作泄流限压，必须切实有效地减小SPD的寄生电感，主要方法有：1）最大限度缩短SPD两端连接导线的长度，通常其长度应？燮0.5m；2）最大限度减小由连接导体构成的回路面积；3）泄放雷电流的多通道方法；等等。

⑤要想改善和優化SPD在线安全运行的性能，还可以采取现代传感器技术和网络技术，加强对SPD在线运行状态的监测。SPD在线监控系统可采用物联网的架构搭建，包括感知层、传输层和应用层，可实时检测SPD运行环境的温湿度、后备电流保护器的状态和SPD的性能参数状态，这为SPD的安全运行提供了技术保障。

6 总结

综上述，从雷电的危害角度来说，风力发电机组的运行环境是比较恶劣的。风力发电机组为了抵御雷电的侵袭，大多采取了综合防雷的措施。笔者从优化和改善风力发电机组雷电流泄流路径、桨叶及机舱的防雷性能、接地装置的性能和优化SPD在线安全运行性能等五个方面，提出了改善和优化风力发电机组综合防雷性能的内容和方法，这对风电场和风力发电机组的防雷设计、施工和检测验收均有现实的实践意义，为风电机组的持续可靠运行提供了切实可行的技术支撑。

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