风电厂风机防雷技术发展研究

2021-11-27邓桥

科技与创新 2021年1期

关键词：桨叶机舱过电压

邓桥

风电厂风机防雷技术发展研究

邓桥

（中国大唐集团科学技术研究院有限公司西北电力试验研究院，陕西西安 710000）

风电机组的防雷技术对于风电厂安全稳定地生产运营起着十分重要的作用。对风电厂风机防雷技术的现状及问题进行了梳理分析，并提出了风机防雷技术的改进技术以及风机防雷技术的发展趋势。

风电厂；机组防雷；防雷技术；存在问题

随着新能源结构调整战略的实施，中国风电产业已经进入到快速发展阶段。截至2017年，全国风电装机总容量已经超过1.8亿kW，在全球居首位。随着风电规模的日益扩大，风电生产运营的安全性和经济效益问题也成为风电企业及从业人员关注和研究的重要内容。在风电生产运营中，雷击导致的风机设备损坏是影响风电生产安全和经济效益的重要因素之一。为此针对风机防雷技术进行研究是十分必要的。

1 风机雷击故障概况

据IEC/TR统计数据显示，在20世纪90年代欧洲地区大约每年有4%～8%的风力发电机组遭到雷击。其中，受到雷击的风电机组部位包括风俗风向仪、传感器、变桨系统、塔筒、刹车系统、制动系统、发电机、电气系统、叶片等。雷击对风电厂风机设备的破坏具有普遍性，其中叶片在所有设备部件中是最容易遭受雷击损害的，其次是制动系统、电气系统。

对于大型风力发电机组来说，雷击故障规律的特征如下：①近年来中国风电厂的风机设备高度越来越高，浆液长度也越来越长。由于叶片是最容易遭受雷击的部位，因此这种趋势下中国风电厂风机受到雷击的破坏性及所受到的经济影响更大。②风机装机的地理位置大多是沿海或山顶等空旷位置，一旦雷暴云过境，对风机的击中率很高。③风机虽然安装了雷电防护装置，但是相对于固定对象的防雷效果，因风机桨叶处于动态过程中，因此雷击的情况更加复杂，防雷效果比固定对象的防雷效果差。

2 风机防雷技术现况及存在问题

2.1 风机防雷技术

目前，针对雷击的风机防雷技术主要有直击雷防护技术、等电位连接技术、接地技术、内部过电压保护技术、屏蔽技术。

直击雷防护技术：通过对风机进行接闪技术设计，将闪电引入和接入地下，从而实现防雷目标。其中接闪的部位一部分是桨叶，还有一部分是风机机舱。风机常用的接闪方法是在桨叶表面安装金属圆盘，然后在桨叶内部敷设一根金属导体作为接闪引线连接桨叶表面金属圆盘和桨叶根部。当闪电击中桨叶表面时的金属圆盘后，闪电电流沿着金属导体传导到风机自身金属结构，最后通过接地装置释放电流。除了以上的接闪方法，还可以采用在浆叶表面安装金属网的方式，技术原理是相同的。另外，风机机舱外部有金属皮肤，有一定的厚度，这样就能够与桨叶表面的金属圆盘或金属网构建起一个法拉第笼结构，只要符合等电位连接的要求就能够起到抵御雷击的效果。为了避免风速风向仪遭受雷击，可采用在风速风向杆上安装避雷针的方法，风速风向杆与风机机舱底板连接，能够起到传输雷电流的作用。

等电位连接技术：该技术又可以细分为两种类型，一种是跨接位置相对固定的部件连接，如风速风向杆和风机机舱的连接、风机筒塔内的法兰跨连接、机舱配电柜等装置与机舱金属框架的连接；另一种是跨界位置相对运动的部件连接，如风机轮毂和风机机舱的连接、风机轴承与风机机舱的连接、风机轮毂与浆液的连接。前一种类型可采用铜编织导线进行连接，过渡电阻不超过0.03 Ω。后一种类型相对复杂，不仅不能影响部件之间的相对运动，还要实现防雷效果，保障高幅值电流从部位之间通过。通过在机舱内部的轴承部位、齿轮箱部位以及机舱底座之间安装绝缘层，防止雷电流串通。目前多采用建立模型的方法来保障电阻满足防雷技术要求。

接地技术：电气设备是风机遭受雷击的重要部位之一，主要的原因是因雷电流接地过程中引起地电位瞬间上升，从而引发电气设备故障。如果接地电阻过大，还会破坏避雷器，因此接地技术是风机防雷的重要技术之一。风机接地技术主要遵循电气行业以及建筑行业的防雷设计规范和标准，根据其中的相关技术要求来确定接地电阻值范围。接地技术中除了对风机接地电阻的数值范围有要求以外，还要考虑电感和电容的分布情况。目前由于闪电电流的频谱整体较高，因此在风机防雷设计中多采用接地系统暂态响应技术作为辅助。另外，在安装接地装置后，经常会遇到土壤电离的情况，这会导致接地装置的电气特性更加复杂，可采用电磁分布仿真模拟技术，通过模拟所在区域内的电磁场分布情况，为电机防雷设计和安装提供依据。在技术设计和应用过程中，如果遇到接地电阻不能满足技术规范要求的情况，技术人员可以考虑使用降阻剂来改善接地电阻。通过在水平接地极的周围区域添加降阻剂，使周围所在区域的土壤电阻系数降低，有利于降低土壤电阻。另外，在地质条件允许的情况下，技术人员可采用深井法来降低接地电阻。深井的口径为100～ 110 mm，深度为30 mm，用钢管作为垂直接地电极，同时对土壤进行降阻剂灌浆处理，实现较好的接地降阻效果。沿海地区的接地装备必须考虑防腐性能，可采用铜包钢的方式来代替传统钢材作为接地地极，还可以对外露的金属部位进行防腐涂层处理，避免设备腐蚀，缩减寿命。

内部过电压保护技术：因雷电效应产生的过电压对风机内部电气线路或终端设备会造成破坏，因此采取内部过电压保护措施十分必要。可采用在输电线路中安装避雷器的办法或者降低输电杆塔接地电阻的办法。研究人员对风电厂电缆集电系统的过电压变化情况建立了分析模型，结果表明暂态过电压的数值及变化情况与电感性负载有着密切关系。根据雷电击中风机时对风机塔筒电路模拟模型的分析，得到风机塔筒内部感应电场和磁场的分布情况，以此来优化风机机组设备部件的安装区域，尽量将机组内敏感的电气设备和元件安装在雷电电场和磁场分布最弱的区域，以减少雷击对这些敏感电气设备的干扰和破坏。风机遭遇雷击时，箱变的输入和输出端电位差异大，对此可采取电涌保护装置来减弱或避免雷击危害。

屏蔽技术：由于风机机组本身并不是完整的雷击屏蔽体，因此机身上存在的孔洞或缝隙极容易引发风机塔筒和机舱内部的电磁耦合现象，从而导致机舱内部金属回路内形成感应过电流，对机身内部设备造成损坏。对此可采用安装屏蔽层的办法，降低电路传输过程中的电磁感应过电压和过电流，使感应过电压变化由剧烈转变为平缓，降低或避免对机舱内部设备的损坏。

2.2 防雷技术存在的问题

雷电直击的防护技术中，采用的方法是在风机桨叶表面安装金属圆盘或者金属网，这种方式虽然能够起到一定的防雷效果，但是由于风机桨叶的型号越来越大，而金属圆盘或金属网的面积较小，因此在实际应用中，会出现闪电不能准确集中桨叶表面金属圆盘或金属网的情况，此时桨叶仍然会受到雷击损害。另外，由于桨叶存在动态旋转特征，因此桨叶表面接闪的过程更加复杂，以动态的机理来进行防雷设计准确度不高。研究人员发现桨叶接闪器的形状和风机桨叶叶片的旋转都与桨叶叶尖的电荷分布情况有关，也影响接闪效果。研究人员建立了风机叶片接闪模型，希望通过建立模型得到桨叶叶片防雷效率的计算公式。目前，有研究人员发现当桨叶叶片接近水平方向时，雷电流幅值更小，叶片防雷效率更低，反之叶片防雷效率更高。因此在安装接闪装置时，同时调整叶片方向，以更好地提升防雷效率。另外，自然界的雷电流情况一般包含多次回击过程，与实验室使用的脉冲测试电流有差别，因此采取实验室模拟雷击条件仍然需要精细化。目前，国内已经出现了多脉冲发生装置，用以模拟多脉冲自然闪电，这给风机防雷技术测试带来了福音。

3 风机防雷技术发展

随着风机产业的发展，风机防雷技术也进入更深入和精细化的研究阶段。从以往的实验室模拟雷电的研究方式逐渐转变为野外的风机防雷实验。通过建立野外雷电试验基地，研究风机遭遇雷击的电压、电流、电场、磁场情况。对风机防雷技术参数进行更精细的分析和研究。通过人工触发闪电技术为风机防雷创建有利条件，使防雷试验条件更接近自然雷电。另外，除了接闪的思路以外，主动避雷的思路也是风机防雷技术研究的一个重要方向。通过开发风机雷电预警系统，借助气象预测技术、信息数据技术，根据风电机组所在区域的气象变化信息来合理调控风机的启闭，当雷暴云来临时，风机停止，同时控制桨叶叶片位于不容易接闪的位置，降低风机遭受雷击的概率。