风电机的直接雷击及其防护

赵江

摘  要：风电机组在受直接雷击时，巨大的雷电流将在其传输入地的路径上产生热效应和机械效应，雷电对风电机组桨叶、轴承和传动部件都可能造成直接和潜在的损坏，随着机组容量的增大和机组高度的加长，机身的空间暴露范围也在扩大，相应的，其直接遭受雷击的概率也在增大。因此，在风电机组的防雷设计中，其直接雷击防护一直受到十分广泛的关注。

关键词：直接雷击  损坏  防护  防雷

中图分类号：TM315   文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）07（a）-0043-02

风电机组在受直接雷击时，巨大的雷电流将在其传输入地的路径上产生热效应和机械效应，对桨叶、轴承和传动部件造成直接和潜在的损坏，引起机组停运事故，危害风电系统的安全可靠运行。随着机组容量的增大和机组高度的加长，机身的空间暴露范围在扩大，相应的，其直接遭受雷击的概率也在增大。因此，在风电机组的防雷设计中，其直接雷击防护一直受到十分广泛的关注。该文将介绍机组的雷击特性及桨叶和轴承部件的雷击损坏机理，并对机组的直接雷击防护措施加以讨论。

1  风电机组的雷击特性

1.1 雷击部位

从风电机组的结构来看，其桨叶叶尖在运行时处于机组的动态最高点，是最容易受到雷击的部位。但是，从滚球法的概念（见图1）可见，桨叶侧面、轮毂、机舱和塔筒上高度大于滚球半径的部分均可能成为雷击点。由于雷电流和雷击距均为随机变量，对于那些电流幅值高的强雷，其雷击距大，相应的滚球半径也大，滚球面与机组的接触点将位于机组顶端的叶尖附近部位。对于电流较小的弱雷，其雷击距小，相应的滚球半径也小，滚球面与机组的接触点可以从叶尖开始，向下扩展到机舱和塔筒，如图1所示，图（a）中的dsq为对应于强雷的滚球半径，图（b）中dsr为对应于弱雷的滚球半径。因此，对于弱雷来说，其雷击点在机组上的分布范围要比强雷的广，其破坏范围比强雷的更大一些，在防护上也就要比强雷更难一些。

1.2 雷击率

风电机组的雷击率不仅与机组所处地域的气象、地理和地质条件有关，还与机组自身的尺寸密切相关。随着机组容量的增大，机组的高度和桨叶长度等尺寸也在增大，相应的，机组在大气空间的暴露范围和空间受雷曲面也在增大。机组的空间受雷曲面可按滚球法来确定，将滚球面沿桨叶、机舱和塔筒连续滚动，其球心的三维运动轨迹即为机组的空间受雷曲面，如图2中的点划线所示。从几何的角度来看，当机组高度和桨叶长度增加时，沿机组滚球所得出的空间受雷曲面也将扩展、增大，这就意味着机组遭受雷击的机会，即雷击率会增大。

2  雷击对各部件的损坏

2.1 雷击对桨叶的损坏

桨叶是最容易受到雷击的，同时也是维修成本额度最高的，它的主要组成材料为：钢、铝、木质、GRP（纤维增强塑料）、CFRP（碳纤维增强塑料），结构为外壳加内梁。该材料由于电阻率高，不易导电，但是在强大雷电流作用下就能够产生导电路径。从绝缘介质放电机制来看，固体介质的表面最容易发生沿面放电的路径，当一片浆叶受到雷击后，在桨叶上出现3条放电通道，雷电流可以通过沿面放电通道直接在壳体外表面上传导，也可以在雷击点处产生一个热熔洞孔，透入洞孔去沿壳体的内表面或材料叠层交界面的沿面放电通道进行传导。雷电流透入洞孔后，雷电流沿壳体内部路径或壳体外表面进行传导，在某些情况下，这种路径的跳变可能会重复发生。

雷电流巨大时则可以产生电弧，這种弧道温度可高达30000K，高温则会烧毁弧道附近的壳体材料，同时高温也会在壳体内部产生高压力的冲击波，对桨叶壳体产生损伤，使受雷击后的桨叶上出现裂缝，严重时会导致桨叶断裂。在某些严重的情况下，不仅会损毁直接受雷击的桨叶，甚至还会传递到其他未受到雷击的桨叶上去，这种严重的雷击事故在国外风电场已有过多次记录。

2.2 雷电流对轴承的损坏

在风电机组受到雷击时，轴承则是风电机组另一个容易遭受到雷电流损坏的部件。当桨叶遭受到雷击后，会有一些雷电流从桨叶传导流进主轴，流进主轴的这部分雷电流中又有相当一部分流进轴承，由主轴所载的雷电流在机舱内各主要部件的分流路径。雷电流流过轴承后，将会使轴承内的滚子和套圈受到损伤，从而危及轴承的运行可靠性。

雷电流对轴承的损坏作用与它在轴承内部传导的路径有很大关系，这些传导路径主要有两条：一条是由轴承圆周上负载区段内滚子与套圈相接触所形成的通路;另一条是由其圆周上无负载区段内滚子与套圈之间的短气隙在被电弧击穿后形成的通路。对于一个带机载负荷的轴承来说，其圆周上负荷区段内与内套圈相接触的滚子个数及其接触面积取决于负荷的大小，且随着负荷的增大而增大。在无负荷区段内，滚子与内套圈之间短气隙的击穿特性取决于轴承内填充润滑油的绝缘强度。此外，轴承的旋转运动也会进一步影响到雷电流在这两条传导路径上的传导性能及所造成的损伤程度。

3  风电机组防护

3.1 桨叶防雷

风电机组桨叶的防雷装置主要是由接闪器和引下导体组成，一般情况是将接闪器做成圆盘形状，将其嵌装在桨叶的叶尖部，盘面与叶面平齐，接闪器与设置在桨叶本体内部并跨接桨叶全长的引下导体作电气连接。当桨叶尖受到雷击时，雷电流由接闪器导入引下导体，引下导体再将雷电流引入叶根部轮毂、低速轴和塔筒等，最终泄入大地。

这种内置引下导体的单接闪器，制造上是比较简单的，通过场外实际运用，它对小型风电机组的保护是可以的（桨叶长度不超过20m的）。但对大中型风电机组来讲，运用这种内置引下导体的单接闪器将会出现较多未覆盖的雷击点（大中型风电机组的桨叶大于20m的），不能满足防雷击的要求，桨叶受到雷击的机会大大增多。通过外场实验，将多个单接闪器装在桨叶上是一种比较可行的办法，各接闪器与内置引下导体连接，这种做法可以改善防雷装置对雷电下行先导的拦截性能，同时也减小了桨叶表面雷击点覆盖面的几率。

3.2 轴承防雷

轴承防雷主要是在轴承的前端设置一条并行的低阻通道，对于沿轴传来的雷电流实施分流，使雷电流尽量少地流入轴承。为了达到轴承防雷目的，可用导体滑环、铜制电刷和放电器等来进行操作，机组中将采用耐磨性能较好的铜质电刷，这种铜质电刷可以在一定程度上改善磨损和导流状况。如果单纯地采用这种电刷进行旁路分流，只能分流走一部分雷电流，仍会有一部分雷电流可以经过轴承。经外场实验，可采用旁路分流和阻断隔离相结合的方式加以综合治理。在主轴承齿轮箱与机舱底板之间加装绝缘垫层以阻断雷电流从这些路径流过，并在齿轮箱与发电机之间加装绝缘联轴器，以阻断雷电流从高速轴进入发电机，这样就可以在很大程度上迫使雷电流从最前端的滑环旁路分流导入机舱底板和塔筒。应当注意，在受到雷击或机舱内发生电气故障时.这样的绝缘方式会在被绝缘的设备与机舱底板之间产生高的电位差，即暂态过电压，它对于维护人员的人身安全和设备的可靠運行都是具有危害性的，需要在这些部位采取附加的过电压抑制措施。

3.3 机舱防雷

完成了桨叶防雷措施，对于机舱而言就相当于提供一层前级的保护。这一级的保护可有效地处理来自机舱正面和上面的雷电流，但不足的是，对于来自机舱尾后方的雷电流无法进行处理。因此，经过设计，在机舱尾部架设避雷针可有效地保护舱尾不受雷击。如果机组的桨叶上没有安装接闪器等装置，可以在机舱头部和尾部架设避雷针，同时在机舱罩表面加装金属带和金属网，这样可以起到防雷保护的效果。

4  结语

风机组在桨叶、轴承、机舱等部位进行了有效的防护后，遭受雷击时，就可以从各防雷装置作用下泄入大地，将雷击危害程度显著降低，从而取得好的防雷保护效果。

参与文献

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