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雷击对风力发电机组的影响及改进措施
作者：李高峰、雷启龙、黄瑞芳
黄瑞芳工作单位：内蒙古电力工程技术研究院 内蒙古 邮编： 010010 雷启龙、李高峰工作单位：国华（河北）新能源有限公司 邮编： 076750
摘要：运行中的风力发电机组，遭受雷击屡见不鲜，损坏设备，造成巨大损失，甚至危害人身安全。为此，本文说明雷击对风力发电机组危害的严峻性，分析雷击对风力发电机组的影响机理，指出改善风力发电机组防雷的改进措施，必须从设计标准、建设质量等根本环节着手，使风力发电机组雷电防护做到科学、有效、经济。
关键词：风力发电机组；雷击；外部雷电；内部雷电； 1 雷击对风力发电机组的影响
风力发电特点是：风机分散安置在旷野，大型风机叶片高点(轮毂高度加风轮半径)达89～117m，易受雷击；风力发电机组的电气绝缘低(发电机出口电压690V，且大量使用自动化控制和通信元件)。因此，就防雷来说，其环境远比常规发电机组的环境恶劣。风力发电机组是风电场的贵重设备，价格占风电工程投资60％以上。若其遭受雷击(特别是叶片和发电机贵重部件遭受雷击)，会造成风力发电机组叶片爆裂、电气绝缘击穿、自动化控制和通信元件烧毁等等。除了损失修复期间应该发电所得之外，还要负担受损部件的拆装和更新的巨大费用。丹麦LM公司资料介绍：1994年，在雷电活动少的丹麦境内注册的运行风机，受到雷害损坏超过6％，修理费用估计至少1500万克朗（当年丹麦装机540MW，平均2．8万克朗/MW)。按LM公司估计，世界每年有1％～2％的风力发电机组叶片受到雷电袭击。叶片受雷击的损坏中，多数在叶尖，是容易被修补的，但少数情况则要更换整个叶片。雷击风机常常引起机电系统的过电压，造成风机自动化控制和通信元件的烧毁、发电机击穿、电气设备损坏等事故，所以，雷击是威胁风力发电机组安全经济运行的严重问题。2影响机理分析
因风力发电机组所处的地形位置不同，雷击事故率有所不同，地处山区的风力发电机组其雷击事故率最高；且雷击事故中，大部分不是由于直击雷引起的，而是非直接累积造成的损害。我国东南沿海和北部山区是风能资源丰富的地区；但该地区地形复杂，雷暴日较多，应充分重视雷击给风电机组和运行人员带来的巨大威胁。
风力发电机组遭雷击受损通常有四种情况，一是直接遭受雷击而损坏；二是雷电脉冲沿着与设备相连的信号线、电源线或其他金属管线侵入使设备受损；三是设备接地体在雷击时产生瞬间高电位形成地电位“反击”而损坏；四是设备安装的方法或安装位置不当，受雷电在空间分布的电场、磁场影响而损坏。雷电参数包括峰值电流、转移电荷及电流陡度等。风电机组遭受雷击损坏的机理与这些参数密切相关。
3风力发电机组防雷改进措施
防雷改进措施包括了外部防雷和内部防雷两大部分。3.1外部防雷(直击雷防护技术)3.1.1叶片防雷
叶片防雷系统主要是避免雷电直击叶片本体而导致叶片损害。研究表明：不管叶片是用木头或玻璃纤维制成，或是叶片包导电体，雷电导致损害的范围取决于叶片的形式。叶片全绝缘并不减少被雷击的危险，而且会增加损害的次数。多数情况下被雷击的区域在叶尖背面(或称吸力面)。
风力发电机组叶片防雷系统由雷电接闪器和雷电传导部分组成。在叶尖装有接闪器捕捉雷电，再通过敷设在叶片内腔连接到叶片根部的导引线使雷电通过叶片根部传给叶片法兰，通过叶片法兰和变桨轴承传到轮毂，通过轮毂法兰和主轴承传到主轴，通过主轴和基座传到偏航轴承，通过偏航轴承和塔架最终导入接地网，约束雷电，保护叶片。3.1.2机舱防雷
在机舱顶部装设一个避雷针，避雷针用作保护风速计和风向标免受雷击，在遭受雷击的情况下将雷电流通过接地电缆传到机舱上层平台，避免雷电流沿传动系统的传导。3.1.3塔架及引下线
从接闪器到接地装置的引下线应按有较多并联的电流路径且为直线垂直安装，使其具有最短、最直接的路径的原则布置；当塔架为金属制成或有互相连接的钢筋网时，可作为自然引下线(但应注意当塔架用放人混凝土内的预应力拉桩螺栓固定时，不应将这些元件用于接地目的)。也可专设引下线连接机舱和塔架，减轻电压降，跨越偏航环，机舱和偏航刹车盘通过接地线连接将雷电顺利地引入大地。
3.1.4接地网
风电机组的接地装置一般可采用一种或多种组合：一个或多个环形接地体、基础接地体(基础接地体应是可延伸的)、水平接地体或垂直(或斜形)接地体，其所包围的面积的平均半径应不小于6m。风力发电机组的混凝土基础内互相连接的钢筋网可作为自然接地体。
接地网的设计，常用的方法有：① 增大接地网面积；② 增加垂直接地体；③ 人工改善地电阻率；④ 深埋接地体；⑤ 利用自然接地体；⑥ 敷设水下接地网。要认真分析和比较，通过技术、经济分析筛选出最佳的降阻方案。
3.2内部防雷技术
3.2.1防雷区(LPZ)的等电位连接
风电机组的过压保护和等电位连接措施在不同的保护区的交界处，应通过SPD(防雷及电涌保护器)对有源线路(包括电源线、数据线、测控线等)进行等电位连接。其中在LPZ0区和LPZ1区的交界处，采用通过I类测试的B级SPD将通过电流、电感和电容耦合三种耦合方式侵入到系统内部的大能量的雷电流泄放并将残压控制在2.5kV的范围。对于LPZ1区与LPZ2的交界处，采用通过Ⅱ类测试的C级SPD并将残压控制在1.5kV的范围。3.2.2机舱等电位连接
为了预防雷电效应，对处在机舱内的金属设备和外来的导体作等电位连接，连接母线与接地装置连接。汇集到机舱底座的雷电流，传送到塔架，由塔架本体将雷电流传输到底部，并通过3个接人点传输到接地网。在LPZ0与LPZ1、LPZ1与LPZ2区的界面处均应作等电位连接。3.2.3线路等电位连接
线路的所有导体应直接或非直接连接。相线应采用电涌保护器连到防雷装置或总接地连接带上。在TN系统中，PE线或PEN线应直接连到防雷装置或总接地连接带上。基础接地体和环形接地体的端部接线夹应进入塔架内部，并连接到一个有适当标记的等电位连接带。4结论
（1）风电机组雷电的防护重点就是将击中风电机组的雷电流通过防雷装置迅速安全的泄放到大地，使雷击对风电机组的影响降低到最低点。
（2）我国领土富原辽阔，南北区域雷电活动差异大，且地质条件迥异，因此，在风电机组防雷装置设计要求上应当因地制宜，采用更加经济合理有效的方法，保证风电机组的安全运行。
参考文献
【1】 梁志疆、徐烨，雷电对风力发电机组的危害及对策，电建论坛。【2】 刘庭，风电机组防雷研究，“关爱生命、安全发展”征文活动论文集，北京：中国电力出版社，2009。
【3】 赵海翔、王晓蓉，风电机组的雷击机理与防雷技术【J】，电网技术，2003，（7）。
【4】 防雷及接地安装施工工艺标准
HFWX·QB/1-6-013-2004
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