淺談風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雷電防護(hù)措施

林品樂(lè) 陳光健

【摘要】本文首先講述了雷電的危害，然后介紹了雷擊造成的電力危害最后介紹了防雷保護(hù)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】發(fā)電機(jī)組，雷電防護(hù)，措施

一、前言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，國(guó)家的發(fā)電方式也在不斷地改進(jìn)。風(fēng)力發(fā)電是利用自然界的力量進(jìn)行發(fā)電的，是符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷是確保安全供電的措施。

二、雷電的危害

1、直擊雷

帶電的云層對(duì)大地上的某一點(diǎn)發(fā)生猛烈的放電現(xiàn)象，稱(chēng)為直擊雷。它的破壞力十分巨大，若不能迅速將其瀉放入大地，將導(dǎo)致放電通道內(nèi)的物體、建筑物、設(shè)施、人畜遭受?chē)?yán)重的破壞或損害――火災(zāi)、建筑物損壞、電子電氣系統(tǒng)摧毀，甚至危及人畜的生命安全。

2、雷電波侵入

雷電不直接放電在建筑和設(shè)備本身，而是對(duì)布放在建筑物外部的線(xiàn)纜放電。線(xiàn)纜上的雷電波或過(guò)電壓幾乎以光速沿著電纜線(xiàn)路擴(kuò)散，侵入并危及室內(nèi)電子設(shè)備和自動(dòng)化控制等各個(gè)系統(tǒng)。因此，往往在聽(tīng)到雷聲之前，我們的電子設(shè)備、控制系統(tǒng)等可能已經(jīng)損壞。

3、感應(yīng)過(guò)電壓

雷擊在設(shè)備設(shè)施或線(xiàn)路的附近發(fā)生，或閃電不直接對(duì)地放電，只在云層與云層之間發(fā)生放電現(xiàn)象。閃電釋放電荷時(shí)，在電源和數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)路及金屬管道金屬支架上感應(yīng)生成過(guò)電壓。

雷擊放電于具有避雷設(shè)施的建筑物時(shí)，雷電波沿著建筑物頂部接閃器（避雷帶、避雷線(xiàn)、避雷網(wǎng)或避雷針）、引下線(xiàn)泄放到大地的過(guò)程中，會(huì)在引下線(xiàn)周?chē)纬蓮?qiáng)大的瞬變磁場(chǎng)，輕則造成電子設(shè)備受到干擾，數(shù)據(jù)丟失，產(chǎn)生誤動(dòng)作或暫時(shí)癱瘓；嚴(yán)重時(shí)可引起元器件擊穿及電路板燒毀，使整個(gè)系統(tǒng)陷于癱瘓。

4、系統(tǒng)內(nèi)部操作過(guò)電壓

因斷路器的操作、電力重負(fù)荷以及感性負(fù)荷的投入和切除、系統(tǒng)短路故障等系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的變化而使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變，引起的電力系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量轉(zhuǎn)化，從而產(chǎn)生內(nèi)部過(guò)電壓，即操作過(guò)電壓。操作過(guò)電壓的幅值雖小，但發(fā)生的概率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雷電感應(yīng)過(guò)電壓。實(shí)驗(yàn)證明，無(wú)論是感應(yīng)過(guò)電壓還是內(nèi)部操作過(guò)電壓，均為暫態(tài)過(guò)電壓（或稱(chēng)瞬時(shí)過(guò)電壓），最終以電氣浪涌的方式危及電子設(shè)備，包括破壞印刷電路印制線(xiàn)、元件和絕緣過(guò)早老化壽命縮短、破壞數(shù)據(jù)庫(kù)或使軟件誤操作，使一些控制元件失控。

5、地電位反擊

如果雷電直接擊中具有避雷裝置的建筑物或設(shè)施，接地網(wǎng)的地電位會(huì)在數(shù)微秒之內(nèi)被抬高數(shù)萬(wàn)或數(shù)十萬(wàn)伏。高度破壞性的雷電流將從各種裝置的接地部分，流向供電系統(tǒng)或各種網(wǎng)絡(luò)信號(hào)系統(tǒng)，或者擊穿大地絕緣而流向另一設(shè)施的供電系統(tǒng)或各種網(wǎng)絡(luò)信號(hào)系統(tǒng)，從而反擊破壞或損害電子設(shè)備。同時(shí)，在未實(shí)行等電位連接的導(dǎo)線(xiàn)回路中，可能誘發(fā)高電位而產(chǎn)生火花放電的危險(xiǎn)。

三、雷擊造成的電力危害

1、降低效益

從當(dāng)前電力行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r看，自然界雷擊問(wèn)題給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組帶來(lái)的危害表現(xiàn)在安全生產(chǎn)上，如：設(shè)備安全、人員安全等，這些都給電力企業(yè)造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。此外，在設(shè)備維修上也會(huì)增加風(fēng)力發(fā)電的成本，不利于電力企業(yè)長(zhǎng)期的電能生產(chǎn)運(yùn)行。

2、損壞設(shè)備

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭受外在雷擊之后，最直接的則是對(duì)整個(gè)設(shè)備造成強(qiáng)電流刺激。若雷擊電流過(guò)小，則一般只會(huì)對(duì)機(jī)組表面輕微損壞；若雷擊電流過(guò)大，則容易破壞發(fā)電機(jī)組內(nèi)部的線(xiàn)路連接情況，阻礙了機(jī)組的正常運(yùn)行而破壞電力系統(tǒng)的正常性能發(fā)揮。

3、意外事故

安全生產(chǎn)是我國(guó)電力行業(yè)堅(jiān)持的理念準(zhǔn)則，但由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是野外作業(yè)，在運(yùn)行期間電力人員會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行維修處理，若受到雷電襲擊很容易造成人員意外事故。此外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受到雷擊破壞后整體性能下降，給安全生產(chǎn)也買(mǎi)下了隱患。

四、防雷保護(hù)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代防雷技術(shù)涉及到許多行業(yè)，其中有使用維護(hù)系統(tǒng)、設(shè)計(jì)施工系統(tǒng)、設(shè)備生產(chǎn)制造系統(tǒng)、防雷裝置生產(chǎn)、檢測(cè)系統(tǒng)等。從技術(shù)角度上看也是一系統(tǒng)工程。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)愈合理，系統(tǒng)的各個(gè)組成部分（或要素）之間的有機(jī)結(jié)合就越合理，相互之間的作用就越協(xié)調(diào)，才能使整個(gè)系統(tǒng)在總體上達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)。

比如防雷設(shè)計(jì)首先要從被保護(hù)物所在地理、氣象環(huán)境出發(fā)，要從被保護(hù)物的重要性和復(fù)雜性以及雷擊的后果嚴(yán)重程度出發(fā)。在設(shè)計(jì)中要考慮現(xiàn)有的保護(hù)裝置的有效利用，要與供電系統(tǒng)的型式、暴露程度，所有線(xiàn)纜的架設(shè)，設(shè)備自身的耐壓水平，選用防雷裝置的特性及其有機(jī)配合，以及裝設(shè)后對(duì)設(shè)備的正常工作是否產(chǎn)生不允許的影響，雷擊發(fā)生后的反應(yīng)和自復(fù)能力等等復(fù)雜的因素進(jìn)行綜合考慮，當(dāng)然，還應(yīng)考慮投資與效益的關(guān)系。按照防雷保護(hù)分區(qū)的概念，一個(gè)綜合防雷系統(tǒng)包括：①外部防雷保護(hù)系統(tǒng)：接閃器、引下線(xiàn)、接地系統(tǒng)。②內(nèi)部防雷保護(hù)系統(tǒng)：防雷擊等電位連接、電涌保護(hù)、屏蔽措施。

1、防雷接地

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)是整機(jī)全部由大部件的鋼構(gòu)材料組成，如塔筒、發(fā)電機(jī)、齒輪箱、軸承等，當(dāng)機(jī)組遭到直擊雷時(shí)，整機(jī)電位瞬態(tài)抬升，雷電流通過(guò)葉片變槳軸承、輪轂、主軸到偏航齒輪、塔筒、基礎(chǔ)環(huán)向大地泄放電荷，這時(shí)作為整機(jī)參考地面積最大的塔筒上將產(chǎn)生幾千伏甚至上萬(wàn)伏的瞬態(tài)電壓，如果整機(jī)中某部分的等電位工藝所采用接地線(xiàn)的阻抗不一致，則有可能造成阻抗較低端因高電位反擊擊穿造成設(shè)備損壞。

從防雷觀點(diǎn)出發(fā)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組宜設(shè)一共用接地體，即避雷針與塔架共用接地系統(tǒng)。接地體的布置一般可采用基礎(chǔ)接地體或人工環(huán)形接地體。為了防止地電位反擊，引下線(xiàn)與接地裝置連接時(shí)，應(yīng)連接到接地裝置的邊緣部分，形成共地不共線(xiàn)，機(jī)組接地電阻的大小直接影響機(jī)組在接閃后是否會(huì)造成地電位反擊的重要參數(shù)。同樣是遭雷擊，接地電阻低的機(jī)組電控系統(tǒng)沒(méi)有任何損壞；而接地電阻高的機(jī)組，大多造成電控設(shè)備的損壞。還有一些防雷公司將風(fēng)場(chǎng)接地全部聯(lián)合起來(lái)形成大地網(wǎng)，而實(shí)際情況確卻是，當(dāng)這個(gè)大地網(wǎng)上的某一機(jī)組遭雷擊后，相鄰機(jī)組由于接地電阻不同而受到地電位反擊，此類(lèi)事故在很多采用多機(jī)聯(lián)合的風(fēng)場(chǎng)中非常常見(jiàn)。

2、電子信息系統(tǒng)防護(hù)

（一）、電磁屏蔽

電力和信息回路線(xiàn)纜由機(jī)艙到地面網(wǎng)柜、變流器、塔底控制柜處應(yīng)采取屏蔽電纜或穿入接地鐵管，使反擊率降低。各回路應(yīng)在柜內(nèi)采取相應(yīng)的防雷擊電磁脈沖措施。

對(duì)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，繼電保護(hù)和控制系統(tǒng)、通信和信號(hào)以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都應(yīng)安裝相應(yīng)的電涌保護(hù)器（SPD）加以保護(hù)。各電氣柜應(yīng)采用金屬薄板制作，并將每個(gè)電控柜用不小于16mm2的多股塑銅線(xiàn)與接地端子連接，這樣可以有效地防止電磁脈沖干擾

（二）、機(jī)艙內(nèi)各種機(jī)柜的防護(hù)

各種機(jī)柜內(nèi)的進(jìn)線(xiàn)、出線(xiàn)處通過(guò)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估后，根據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)建筑物信息系統(tǒng)的重要性和使用性質(zhì)確定雷電防護(hù)等級(jí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以定為B級(jí)防護(hù)。在被保護(hù)的設(shè)備處加裝三級(jí)浪涌保護(hù)器。第一級(jí)采用開(kāi)關(guān)型的電涌保護(hù)器，第二級(jí)和第三級(jí)采用限壓型的電涌保護(hù)器。且各參數(shù)必須符合規(guī)范要求的最小值。

（三）、塔底設(shè)備柜的防護(hù)

在易遭受直擊雷的部位加裝通過(guò)一級(jí)分類(lèi)試驗(yàn)的電源避雷器，在艙底的設(shè)備柜內(nèi)加裝通過(guò)二級(jí)分類(lèi)試驗(yàn)的電源避雷器，在弱點(diǎn)設(shè)備的電源處還應(yīng)加裝通過(guò)三級(jí)分類(lèi)試驗(yàn)的電源避雷器，使設(shè)備得到充分的保護(hù)。在采取三級(jí)保護(hù)措施的同時(shí)，還應(yīng)注意各級(jí)SPD能力匹配的問(wèn)題，根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)電壓開(kāi)關(guān)型浪涌保護(hù)器至限壓型浪涌保護(hù)器之間的線(xiàn)路長(zhǎng)度小于10m、限壓型浪涌保護(hù)器之間的線(xiàn)路長(zhǎng)度小于5m時(shí)，在兩級(jí)浪涌保護(hù)器之間應(yīng)加裝退耦裝置。

五、結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電的設(shè)備是處于空曠地界的高建筑，容易遭受雷電。本文對(duì)雷電的危害以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷措施進(jìn)行了講解。通過(guò)防雷措施來(lái)確保放電機(jī)組的安全供電。

參考文獻(xiàn)

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