兆瓦級風電機組風輪防雷系統(tǒng)研究

文 | 肖進，梁瑞利，袁樂，曹國榮，歐陽華

兆瓦級風電機組在運行過程中會由于各種原因引發(fā)故障，其中雷擊就是造成風電機組故障及損毀的一個重要原因。正因為如此，風電機組防雷系統(tǒng)顯得尤為重要。但是風電機組防雷系統(tǒng)是一個非常復雜的系統(tǒng)，包括風輪防雷系統(tǒng)，機艙防雷系統(tǒng)，塔筒和地基防雷系統(tǒng)。其中風輪處于風電機組運行的最高點，最易遭受雷擊而造成風電機組中電氣元件和結構件發(fā)生故障及損毀。所以對于風輪防雷系統(tǒng)的研究尤其重要。本文通過對兩種風輪防雷系統(tǒng)方案進行原理分析和實驗效果比較，以找出最佳的風輪防雷系統(tǒng)方案。

風輪防雷系統(tǒng)的特點

風輪防雷系統(tǒng)不同于機艙防雷系統(tǒng)和塔筒防雷系統(tǒng)，它具有一定的特殊性，具體表現(xiàn)在以下方面：

風電機組安裝完成后，葉片尖部離地最高點可達100m－160m，正是由于葉片處于風電機組中的最高位置，使得其成為風電機組中最易遭受雷擊的零部件。同時葉片也是風電機組中價值較高的零部件之一，一旦損壞，其修復和更換的費用比較昂貴。所以如何將葉片中的雷電流可靠、快速地通過風輪防雷系統(tǒng)導入機艙防雷系統(tǒng)非常重要。

風輪的運行情況比較復雜。相對于風電機組塔筒的固定，機艙繞塔筒中心的水平轉動，風輪既有葉片繞葉根中心的轉動，也有整個風輪和風電機組主軸繞主軸中心的轉動。這種運行情況使得風輪防雷系統(tǒng)的設計變得比較復雜。

風輪葉片中防雷元器件設計

風電機組葉片中防雷元器件的設計已經相當成熟，大部分風電機組廠家都是以接閃器和連接接閃器的引雷導線為主。只是接閃器的形式及布置，引雷導線末端連接的電流輸出部件略有差異。圖 1是某風電機組廠家葉片防雷元器件布置圖。其中葉片吸力邊和壓力邊在葉片長度范圍內各布置了三組接閃器，接閃器在葉片長度范圍內的布置設計應遵循GL規(guī)范要求。

三組接閃器通過從葉尖過來的引雷導線連接在一起，引雷導線的末端連接雷電流輸出部件?，F(xiàn)國內風電機組廠家電流輸出部件主要是葉根法蘭和葉根中心金屬件，如圖 2。引雷導線末端具體連接哪種電流輸出部件需根據(jù)風輪防雷系統(tǒng)設計的需要進行選擇。

風輪防雷系統(tǒng)方案研究

現(xiàn)行風電機組風輪大體由葉片，變槳軸承，輪轂等部件構成（其余與防雷無關的零部件圖中均未體現(xiàn)），其中葉片安裝在變槳軸承內圈，變槳軸承外圈安裝在輪轂上，輪轂直接固定在主軸上，見圖 3。

根據(jù)以上風輪的結構，可以為風輪防雷系統(tǒng)設想兩種雷電流傳導入機艙防雷系統(tǒng)的通路：

圖1 某風電機組廠家葉片防雷元器件布置圖

圖2 引雷導線連接電流輸出部件

電流流經葉片—變槳軸承—輪轂—主軸進入機艙防雷系統(tǒng)；

電流流經葉片—輪轂—主軸進入機艙防雷系統(tǒng)。

針對以上兩種雷電流傳導路徑，可以設計出兩種風輪防雷系統(tǒng)方案—防雷爪式風輪防雷系統(tǒng)和直連式風輪防雷系統(tǒng)，下面詳細介紹兩種風輪防雷系統(tǒng)方案并通過實驗比較兩種方案的優(yōu)劣性。

一、 風輪防雷系統(tǒng)方案——防雷爪式風輪防雷系統(tǒng)

現(xiàn)行風電機組在很長一段時間里一直以上述第一種電流通路為雷電流主要傳導路徑來設計風輪防雷系統(tǒng)。防雷爪式風輪防雷系統(tǒng)就是典型的以這種電流路徑傳導雷電流的風輪防雷系統(tǒng)。直到現(xiàn)在，防雷爪式風輪防雷系統(tǒng)在風輪防雷系統(tǒng)中還是占據(jù)主流。下面將詳細介紹防雷爪式風輪防雷系統(tǒng)，其結構形式見圖 4。

防雷爪式風輪防雷系統(tǒng)包括葉片、裝在葉片和變槳軸承內圈之間的葉根法蘭、變槳軸承、安裝在變槳軸承外圈上的防雷爪（防雷爪具體結構見圖 5）、輪轂等零部件。其中葉片中引雷導線的末端連接的是第三部分中介紹過的葉根法蘭。

防雷爪式風輪防雷系統(tǒng)原理為：當葉片遭受雷擊時，葉片上接閃器會瞬間將巨大的雷電流通過引雷導線傳導到與之相連的葉根法蘭。這時雷電流會通過兩條通路進行傳導。

圖3 風輪裝配圖

圖4 防雷爪式風輪防雷系統(tǒng)

圖5 防雷爪

一部分雷電流通過防雷爪上的防雷刷與葉根法蘭之間的空氣放電作用，從葉根法蘭通過防雷爪傳導到變槳軸承外圈，再通過變槳軸承外圈及連接件將電流傳導給輪轂，最終通過輪轂將電流傳導給主軸和機艙防雷系統(tǒng)，具體雷電流傳導路徑如圖 4中的A—C—D—E—F；

還有一部分電流通過跟葉根法蘭相連的變槳軸承內圈，經過軸承滾珠傳導到變槳軸承外圈，再通過變槳軸承外圈及連接件將電流傳導給輪轂，最終通過輪轂將電流傳導給主軸和機艙防雷系統(tǒng)，具體雷電流傳導路徑如圖 4中的A—B—D—E—F。

該方案優(yōu)點如下：

因為裝在變槳軸承外圈上的防雷爪和裝在變槳軸承內圈上的葉根法蘭之間存在繞葉片中心的相對旋轉，而防雷爪裝配完成后與葉根法蘭之間存在一定的放電間隙，這個放電間隙可以保證葉片在旋轉變槳過程中，防雷爪不至于和旋轉的葉根法蘭之間發(fā)生機械干涉；

防雷爪式風輪防雷系統(tǒng)整個結構裝配簡單，沒有復雜的零部件。

但是該方案卻存在以下缺點：

防雷爪上防雷刷與葉根法蘭之間的間隙必須保證在一個合適的范圍，這樣才能保證可靠的空氣放電。但是由于防雷爪上防雷刷和葉根法蘭經過多次放電，兩者間的間隙會慢慢變大，所以防雷刷每隔一段時間需要調整和更換。倘若沒有及時調整和更換防雷刷，雷電流將全部通過變槳軸承內圈和滾珠傳導給輪轂，這樣極易燒壞變槳軸承的滾珠。

同時根據(jù)GL規(guī)范規(guī)定：強烈推薦雷電流保護系統(tǒng)設計成所有的雷電流從軸承旁路通過。但是該方案雷電流有一部分通過了軸承的滾珠，這部分雷電流時間一長容易造成軸承滾珠的破壞。

二、 風輪防雷系統(tǒng)方案——直連式風輪防雷系統(tǒng)

根據(jù)上述第二種雷電流傳導路徑及GL規(guī)范，可以設計出直連式風輪防雷系統(tǒng)。該方案在現(xiàn)行風電機組開發(fā)階段還屬于實驗方案，沒有得到普遍應用。下面將詳細介紹直連式風輪防雷系統(tǒng)，其結構形式見圖 6。

直連式風輪防雷系統(tǒng)由葉片、中間機械連接裝置、輪轂組成。其中葉片中引雷導線的末端連接的是第三部分中介紹過的葉根中心金屬件。

其中圖 7是一種中間機械連接裝置，其中葉片引雷導線和葉片端過渡板一起安裝在位于葉片根部中心位置的葉根中心金屬件上，而輪轂端過渡板則固定在位于輪轂中心位置的輪轂端轉接板上，葉片端過渡板和輪轂端過渡板之間有一定的距離，且在葉片端過渡板和輪轂端過渡板之間安裝有一根引雷導線。

表1 不同風輪防雷系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)

直連式風輪防雷系統(tǒng)原理為：當葉片遭受雷擊時，葉片上接閃器會瞬間將巨大的雷電流通過葉片引雷導線傳導到與之相連的葉片端過渡板，葉片端過渡板通過引雷導線將雷電流傳導到固定在輪轂端轉接板上的輪轂端過渡板，最終雷電流通過輪轂端轉接板傳導到輪轂。

該方案優(yōu)點如下：

因為葉片端過渡板和輪轂端過渡板之間存在一定的間隙，且兩者都安裝在葉根中心位置。在兩者之間還安裝了可以承受旋轉載荷的軟引雷導線，所以在葉片繞葉根中心進行旋轉變槳時，該引雷導線不會斷裂；

直連式風輪防雷系統(tǒng)雷電流引導路徑沒有經過變槳軸承，這不僅符合GL設計規(guī)范而且可以可靠保護變槳軸承，防止價值較高的變槳軸承遭雷電流襲擊而破壞；

直連式風輪防雷系統(tǒng)安裝沒有空氣放電間隙要求，不需要進行后期地調整和維護。

三、 兩種風輪防雷系統(tǒng)方案實驗對比

為了驗證防雷爪式風輪防雷系統(tǒng)和直連式風輪防雷系統(tǒng)方案效果，我們將兩種方案都進行了裝機并安裝在同一風電場進行實際效果檢驗。該風電場屬于多雷地區(qū)，一年有三分之一時間都有雷電襲擊。經過三年的實驗，我們得到的數(shù)據(jù)如表 1（表中只列出了被雷電流損壞的電氣元件和機械部件）。

結語

根據(jù)以上對防雷爪式風輪防雷系統(tǒng)和直連式風輪防雷系統(tǒng)的原理分析和實際裝機實驗效果對比，可以得出以下結論：

現(xiàn)場裝配方面：由于直連式風輪防雷系統(tǒng)不需要調整空氣放電間隙，故安裝精度要求方面低于防雷爪式風輪防雷系統(tǒng)；

對風輪內部零部件地保護：從表 1的實驗數(shù)據(jù)可以看出，直連式風輪防雷系統(tǒng)對風輪內部零部件地保護作用優(yōu)于防雷爪式風輪防雷系統(tǒng)；

圖6 直連式風輪防雷系統(tǒng)

圖7 一種中間機械連接裝置

后期維護方面：由于直連式風輪防雷系統(tǒng)不需要調整空氣放電間隙，所以后期不像防雷爪式風輪防雷系統(tǒng)一樣需對放電間隙進行維護，極大地減小了風電機組后期的檢查和維護工作量。

綜上，直連式風輪防雷系統(tǒng)是一種表現(xiàn)優(yōu)異的風輪防雷系統(tǒng)。雖然現(xiàn)階段還未得到廣泛應用，但是相信在不久后的將來，直連式風輪防雷系統(tǒng)將很可能成為風輪防雷系統(tǒng)的主流方案。