高原地区风机偏航系统防雷技术研究

姚敬海 赵煜 张恩寿 李永进

摘 要：高原地区雷击频繁，应用于高原地区的风机因雷击造成巨大损失，风机偏航系统就是经常遭到雷击的部件。为保证风机偏航系统安全运行，从高原地区雷电特性、风机偏航遭雷击过程分析、冲击波冲击风机试验三方面讨论高原地区电机偏航系统防雷问题，得到风机偏航系统遭受雷电冲击时造成损坏是因雷电流过大，偏航系统发热严重，感应电流过大的原因。提出了通过保证雷电流泄放路径的畅通，减小接地电阻，增设避雷带，在风叶与偏航系统之间增加绝缘层减小雷电对偏航系统的损害。

关键词：防雷 偏航系统 高原地区

中图分类号：TM31 文献标识码：A 文章编号：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

風电是新兴的清洁能源，也是可再生能源，矿产资源使用日益紧张，开发新能源势在必行。风电的开发利用已经取得了很大的进展，目前通过风力发电机将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能，且风能与电能的转化效率已达到40%，每年的电能产量达几千亿千瓦时，为国家经济、生产生活的发展做出了重大贡献。但是仍然面临着很多问题，其中雷击问题对风机已经造成了很大的损失，也逐步引起了风电企业的重视，风电行业也亦将防雷问题视为检验风机安全可靠性能的重要指标[1]。风机的防雷设计影响着风机遭到雷击的概率，以及风机遭到雷击后，风机各部件的毁坏程度。风机单机容量越来越大，高度越来越高，在高海拔地区运用越来越广，遭雷击的风险也越来越大。关于风机遭受雷击的机理研究和风机的防雷措施，很多专家做出了大量研究，其中包括风机的高度与风机的引雷能力、风叶的形状与风机的引雷能力、风机的构造材料与风机的抗雷击能力等[2]。偏航系统是风机的重要组成部分，当风速矢量的方向变化时，风向标作为感应元件将风向的变化用电信号传递到偏航电机的控制回路的处理器里，经过比较后处理器给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航命令；为了减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴联接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对风；当对风完成后，风向标失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束，以便使风轮获得最大的风能。大中型风力机一般采用电动的偏航系统来调整风轮并使其对准风向。偏航系统一般包括感应风向的风向标、传感器、偏航系统控制处理器、偏航电机、偏航行星齿轮减速器、偏航制动器（偏航阻尼或偏航卡钳）、回转体大齿轮等[3]。

1 高原地区雷电特性

1.1 雷击频率大

高海拔地区雷暴天气频繁，风机遭受雷电冲击的概率大，风机防雷问题对电机的维护、电能的持续供应意义重大[4]。

1.2 雷电能量大

高海拔地区虽然雷电流比低海拔地区小一些，但是雷电能量还是非常大，在没有良好的防雷设计情况下，风机组的偏航系统不能承受直击雷，偏航系统一旦被击中，损坏是毁灭性的。风机偏航系统内部安装了控制偏航系统电机运行状态的处理器、检测周围环境的检测装置、通信传导设备等敏感的电气元件。雷电发生时，会产生高速变化的电磁场，会在这些电气元件电路内感应出高强度的浪涌电流，对其造成破坏或者降低其寿命，甚至造成不能动作或者错误动作，增加不必要的损坏[4]。

1.3 接地电阻大

高原地区比较寒冷、冻土层厚、土壤电阻率高，防雷接地电阻很难满足要求[5，6]。

2 防雷技术研究

2.1 风机偏航结构遭雷击过程分析

直击雷击中风机时，首先受到损坏的是风叶，其次风机的风叶与偏航系统连接在一起，风机的偏航系统也会有损坏。雷电流释放巨大能量，雷电流过偏航系统时，使偏航系统温度急剧升高，分解气体高温膨胀，内压力上升，造成风机偏航系统的爆裂破坏。由于过强雷电流在接闪路径中形成高电位和高能量，致使金属引线与偏航系统之间产生电位差而产生电弧，强雷电产生的高热量致使偏航系统内部铜缆及钢丝绳熔断[3]。雷击造成风机损坏还与雷电流强度有关，如果雷电流足够大，可能导致金属熔化，在雷电流路径上一旦形成电弧就会在发生电弧的地方出现灼蚀斑点，会降低相关部件的使用寿命，甚至直接损毁[4]。雷电对偏航系统造成损坏的还有感应过电压，它与雷电流的陡度密切相关，雷电流陡度越大，感应电压就越高。感应过电压沿线路进入偏航系统，会损坏偏航系统的控制器等电子元件[5]。因此，要消除机组因雷击事故造成的危害，就要保证雷电流泄放路径的畅通，尤其是接地装置要能够及时地将雷电流泄放入地。

2.2 冲击波冲击风机试验

为研究偏航系统抗雷击能力的影响机理，设计了1∶30风机微缩模型，将其放置于高海拔实验室内，利用波形参数为250/2 500μs的负极性操作冲击波开展了风机放电试验（用冲击波冲击风机叶片）。试验采用升降法获取了各工况条件下的50%放电电压，并进行了放电过程观测。试验结果表明：在2000～4000m海拔环境中，随着海拔升高，空气密度降低，环境温度降低，偏航系统的温度增大量成“V”变化，最小增大量为6482℃；在4000～5000m海拔环境中，随着海拔升高，空气密度降低，环境温度降低，偏航系统的温度增大量升高，最大增大量9567℃。冲击电压越高，偏航系统温度越高。在相同的冲击电压下，偏航系统温度的变化与偏航系统内置的导电材料的导电性能相关，内置导电材料的比没有内置导电材料的温度增加量小，内置材料导电性能好的比内置材料导电性能差的温度增加量小，偏航系统材质导电性能好的比导电性能差的温度增加量小。分析得到工作环境、内部增设导电材料与否、偏航系統材质的导电性能的效果影响着偏航系统的电荷分布与温度变化。试验结果为风电机组的偏航系统的设计提供了参考借鉴。

为减少偏航系统被雷电，特对偏航进行特殊设计。

（1）根据雷击次数的统计，将风电场建在雷击频率小的地区。

（2）在偏航系统内部增加导电性能良好的导线，在偏航系统表面粘贴金属箔，形成分段式避雷带；再通过风机自身防雷系统将电流引导至大地，约束雷电，保护偏航系统。

（3）在风叶与偏航系统之间增加绝缘层，减小冲击电压，改善偏航系统的抗雷击能力。

3 结语

高原地区雷电能量巨大，雷击方式复杂，雷击频繁，风机高度较高，遭受雷击的概率较大。从高原地区雷电特性、风机偏航遭雷击过程分析、冲击波冲击风机试验三方面讨论高原地区电机偏航系统防雷问题。为预防风机偏航系统被击毁，提出了保证雷电流泄放路径的畅通、在偏航系统内部增加导电性能良好的导线、在偏航系统表面粘贴金属箔从而形成分段式避雷带、在风叶与偏航系统之间增加绝缘层以减小冲击电压等防雷措施。

参考文献

[1] 魏伟，许胜辉.风力发电及相关技术综述[J].微电机， 2009，42（4）：66-68.

[2] 林志远，黄聪.风力发电机组的防雷问题[J].广东电力， 2001，14（5）：15-18.

[3] IEC 61643-1，接至低压配电系统的浪涌保护器[S].

[4] 林志远.风力发电机组的防雷问题[J].广东电力，2001， 14（5）：15-18.

[5] 杨文斌.风电机组过电压保护与防雷接地设计[J].高电 压技术，2008（10）：2081-2085.

[6] 周志敏，周纪海.电子信息系统防雷接地技术[M].北 京：人民邮电出版社，2004：27-32.