风力发电机组的综合防雷技术措施研究

梅迪斯

摘 要：文章针对目前我国风电机组的发展现状以及雷击对风电机组所造成的危害，基于综合防雷技术对风电机组安全和可靠运行的重要性，提出了几种比较有效的风电机组综合防雷技术措施，以供参考。

关键词：风力发电机组;综合防雷技术;雷击

电力负荷的增加也使得对电能的需求在不断增长，加之目前传统发电企业的环境污染问题也引起人们的关注，风力发电能新型环保绿色发电形式则成为目前追捧的焦点。在目前我国不断加大风电场的建设规模和数量，而且提高风电机组容量和参数的同时，也增加了风机的高度以及叶轮直径，导致在其运行中也出现了其中比较严重的雷击问题。而且对目前风电机组运行中的故障进行统计，雷击问题也是导致风电机组损坏的主要原因之一。这就需要在目前风电机组快速发展的同时，做好综合防雷技术的研究以及应用工作。

1 雷击对风电机组的危害

由于风电机组的特点，其通常需要在海岸、丘陵以及山脊等地区进行大规模的建设，但是这些地区同时也属于雷电的多发地区，在目前风机高度和叶轮直径不断增加的同时，也导致风电机组成为附近地区中的制高点，与其他的高达物体也具有较远的距离，也是导致其容易遭受雷击的主要原因。此外，由于风电机组中存在较多的叶轮和机舱盖等暴露部件，而且这些部件通常由复合材料制成，通常无法承受直击雷或者对直击雷电流进行传导。而且也由于叶片是在不断旋转的，也对导流作用造成不利影响。此外由于雷电具有较大的冲击电流、时间短、雷电流变化梯度比较大以及在较大的冲击电压和较强的电流下会产生交变磁场，甚至导致感应电压在上亿伏以上。对风电机组所造成的危害主要表现为直击雷造成的直接危害、由于雷电奶冲沿着线路进入设备而造成的危害、设备接地体受到雷击时产生瞬间高电位而被损坏、由于设备安装方法和位置出现问题而导致在电场和磁场作用下出现的危害等类型。此危害主要表现在风电机组的叶片在受到抢到的雷击电流作业时会导致叶尖结构内部的温度升高且水分受汽化而膨胀，在此机械力作用下会导致出现叶尖结构爆裂甚至是整个叶片开裂的问题。

2 风电机组的综合防雷技术措施

2.1 直接雷防护

由于风电机组中的风机主体高度较高，加上叶片直径较大，则容易导致在空旷地带中，风机成为周围地区中最容易受到直接雷危害的物体。针对目前风电机组中仍然采用的是富兰克林避雷方法也就是通过防雷过电压保护装置来对雷电进行吸引并对保护对象进行替代来遭受雷击的保护方式。因此这也要求叶片可以对强大的电流进行承受，而要通过具有良好导电性能和较轻自身重量碳纤维材料的添加来满足上述较高要求。并且将上述材料的叶片通过单独的线路将其与塔身进行连接来提供雷电流泄放的通道。此外，为了对风速计以及风标进行雷击保护，还要确保机舱主机架与机舱顶上的避雷针进行连接，而且方向与叶片相反。

2.2 侧击雷防护

在风机受到侧击雷危害时，由于雷山的最后闪络距离为45m时，与之相对应的得到保护的最小雷电流幅值为10.1KA，也就是说在滚球半径为45m时，只要雷电流在10.1KA以上就会在接闪器上出现雷电闪击问题。而且在雷电流在此数值以下时会出现绕击问题，且在被保护物体的高度在45m以上时会出现侧击问题。这就对风机塔身材料提出了较高的要求，不仅要做好防腐防护措施，而且要确保其在发生侧击问题时，可以对引下线的作用进行圣兽以及起到接闪的作用。

2.3 风机接地

为了满足上述防雷要求，需要风电机组防雷接地电阻在4Ω以下。为了满足此接地电阻的要求，所采用的接地网的方式就是在混凝土基础上有1个沿基础环的环型接地与箱式变压器的环型接地组成接地网，所用的垂直接地体为镀锌钢管，而且在上述接地网的箱式变压器的反方向位置上进行三条引上线的预留来对放射接地进行外延。所用的接地材料为低电阻的接地模块，而且选择具有较好导电性的黄粘土作为回填土，还要将其与物理长效降阻剂来进行搅拌使用。在所用的接地阻值满足不了上述要求时，就需要在外延线方向上进行其长度的继续延长。

2.4 等电位连接

针对风机具有较广的分布面积以及较为恶劣的电磁环境的现状，需要在风机叶片一直到控制室的终端设备都需要进行等电位连接的防雷措施。确保此方式所具有的均压效果满足在风机基础和箱式变压器的基础环型地网上不少于2处连接点的要求。此外，针对穿过各防雷区界面的金属物和系统，还有在一个防雷区内部的金属物和系统来说，其等电位连接还要满足以下要求：就是等电位连接需要在风轮与机舱间、机舱与塔筒间、尾舵与水平轴间应通过鉚接、焊接或螺栓连接等部位应用，所用的方式为电气连接或者是单独BVR电缆的连接方式。

2.5 电子信息系统防护

采用电子信息系统防护措施重点是对防雷保护等级进行确定，需要在对其进行设计时按照不同的建筑物电子信息系统的特点、环境、雷电活动规律、设备所在雷电防护区和系统对雷电脉冲的抗扰度、雷击事故受损程度、系统设备的重要性来进行确定和全面规划。首先就是为了对电磁干扰的感应效应进行减少而采用将屏蔽措施在风机与控制室外部进行设置，并联合使用合适的路径进行线路敷设和屏蔽等方式。其次就是针对机舱内各种机柜的防护，组要是通过变桨控制柜、使用双绞线通讯在机舱到变桨柜之间，以及采用在机舱控制室与塔底控制室之间的UPS进线端安装电源避雷器等方式。最后就是针对塔底设备柜的防护。就是在各设备采用三级SPD防护的雷电波防护方式。

3 结语

针对目前风电机组运行中容易受到雷击危害的情况，在对雷击对风电机组的危害进行分析之后，提出了目前针对不同雷电危害所应用的直接雷防护、侧击雷防护、风机接地、等电位连接、电子信息系统防护等综合防雷技术措施。此外还需要在目前我国在逐步推进风机国产化的过程中，在引进先进技术的同时对我国的风机防雷和过电压设计进行改进，提高我国风电机组的综合防雷技术水平。

参考文献：

[1]熊芳瑜，叶平，郑立新.简论风力发电机组防雷性能改善的内容和方法[J].价值工程，2018，37（1）：141-143.

[2]邓利科，邓福兴，宋月华.连州风力发电场防雷接地探讨[J].气象研究与应用，2017.