簡論風力發(fā)電機組防雷性能改善的內(nèi)容和方法

熊芳瑜+葉平+鄭立新

摘要： 本文從優(yōu)化和改善風力發(fā)電機組雷電流泄流路徑、槳葉及機艙的防雷性能、接地裝置的效能和SPD在線安全運行性能等5個方面，全面闡述了改善和優(yōu)化風力發(fā)電機組綜合防雷的性能的內(nèi)容和方法，以期為風力發(fā)電機組防雷安全設(shè)計、施工和檢測提供技術(shù)支持，為風力發(fā)電機組的持續(xù)可靠運行保駕護航。

Abstract： In this paper， the authors improve the lightning protection performance of wind turbine generators from five aspects： optimizing and improving the lightning current leakage path of the wind turbine， the lightning protection performance of the blades and nacelle， the performance of the grounding device and the safety performance of the SPD on-line， in order to provide technical support for lightning protection design， construction and testing of wind power plant and the continuous and reliable operation of wind turbines escort.

關(guān)鍵詞： 風電機組；防雷性能；優(yōu)化；改善

Key words： wind turbine；lightning protection performance；optimization；improvement

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）01-0141-03

0 引言

風力發(fā)電是我國清潔能源開發(fā)和建設(shè)的重要組成部分，其對國民經(jīng)濟的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。風力發(fā)電機組通常設(shè)置在風力較大的地區(qū)，例如海岸、丘陵、山脊，而這些地區(qū)又多是雷電多發(fā)區(qū)，因此，對于雷電的危害來說，風力發(fā)電機組所處的運行環(huán)境是較為惡劣的。

為了保證風力發(fā)電機組持續(xù)可靠地運行，在進行風場建設(shè)時，通常會根據(jù)綜合防雷的理論，對風力發(fā)電機組的槳葉、機艙、電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等重要組成部分采取綜合防雷保護，以期降低風力發(fā)電機組遭受雷擊而造成損失的風險。當風力發(fā)電機組安裝了綜合防雷設(shè)施后，這些防雷設(shè)施的運行性能的好壞就直接關(guān)系到風力發(fā)電機組防雷安全性能的優(yōu)劣，所以，為確保風力發(fā)電機組防雷設(shè)施的運行性能，我們應根據(jù)風力發(fā)電機組防雷設(shè)施的實際運行的狀況，全面優(yōu)化和改善這些防雷設(shè)施的性能，最大限度減小因防雷設(shè)施失效而對風電機組造成損害的風險。

1 優(yōu)化風力發(fā)電機組的雷電流泄流路徑

通常情況下，風力發(fā)電機組均布置在非常容易受到雷擊的場地，例如山區(qū)、海岸、丘陵等等，而這些地區(qū)正是雷電多發(fā)區(qū)，致使風力發(fā)電機組常遭雷擊而損失嚴重。為達到減小風力發(fā)電機組遭受雷電流危害的目的，首先必須優(yōu)化風力發(fā)電機組的雷電流路徑。

如圖1所示，采取切實可行的措施，確保雷電流從風輪葉片上的防雷裝置或機艙尾部的避雷針經(jīng)電刷、機艙底板和偏航系統(tǒng)滑環(huán)等環(huán)節(jié)導入塔筒，再經(jīng)機組的接地裝置散入大地，充分發(fā)揮風電機組外部LPS裝置的法拉第籠對雷電流的屏蔽和旁路作用，以降低雷電對風電機組的危害。具體優(yōu)化措施如下：

①對風電機組外部LPS裝置如下部位作電氣通路連接，可采用焊接和搭接方式，確保其連接的直流過度電阻？燮0.2？贅；1）槳葉的接閃金屬導體與槳葉根部引下線連接點；2）機艙上的接閃器（桿、網(wǎng)）與引下線的連接點；3）風輪槳葉引下線與輪轂的連接；4）機艙上的接閃器裝置引下線與接地裝置的連接；5）塔筒引下線與接地裝置的連接；6）金屬爬梯的頂端或底端與接地裝置的連接；7）塔筒的每兩段之間的連接。

②對于作為LPS構(gòu)成部分的電刷，滑輪等運動摩擦接觸部位，應采用以下措施以增大通流容量和減小接觸電阻：1）采用導電性能良好、耐摩強度大的材料；2）增大接觸部位的接觸面積。

2 改善風力發(fā)電機組槳葉的防雷性能

現(xiàn)代風力發(fā)電機組的槳葉是由玻璃纖維增強復合材料（GRP）或碳纖維增強塑料（CRP）制成的大型中空結(jié)構(gòu)，當發(fā)生雷擊時，雷電會擊中槳葉，其電弧對葉片內(nèi)部的損害將是非常嚴重的。因此，槳葉的雷電防護的關(guān)鍵問題是如何將雷電流安全地從雷擊點傳導至輪轂上，并通過引下線、接地裝置將其泄放入地，只有這樣才能避免在槳葉內(nèi)部產(chǎn)生電弧損壞。具體改善槳葉防雷性能的內(nèi)容和方法如下：

2.1 優(yōu)化槳葉接閃器的攔截效率

①對于采用不連續(xù)金屬導體作為槳葉表面或內(nèi)部接閃雷電的接閃器，必須考慮這些不連續(xù)金屬導體的間隔距離。在槳葉表面布置的實心導體、分段式避雷裝置和不連續(xù)的接閃器時，須使槳葉表面沒有防護的部分遭受雷擊的可能性降至可以接受的水平。當沿槳葉表面的閃絡(luò)電壓小于槳葉外表面的擊穿電壓時，給定攔截效率的分段式接閃器各段的間隔距離，理論上等于實心導體的間隔距離。在實際的應用中，防雷接閃器的攔截效率達不到100%，故我們可以根據(jù)實際應用的需要，從槳葉葉尖部開始，每隔不大于15m的距離設(shè)計安裝一個接閃器為宜。

②通過提升槳葉的雷電傳導能力來提升槳葉攔截效率。其主要方法是在槳葉表面材料本身增加傳導材料，這些傳導材料可以是噴涂在槳葉表面的金屬、復合材料最外層的金屬涂層、嵌入復合材料外層的金屬絲或配置在復合材料表面下方的金屬絲，等等。

2.2 提升槳葉抗沿面閃絡(luò)的能力

我們知道，固體介質(zhì)與氣體介質(zhì)分界面上的電場分布越均勻，其沿面閃絡(luò)電壓就越高，即其抗沿面閃絡(luò)的能力就越強。從風力發(fā)電機組運行的環(huán)境來看，其槳葉表面狀況將對其雷擊損壞程度有明顯的影響。一是槳葉表面不光滑、不均勻狀況的影響。當發(fā)生雷擊時，雷電將在槳葉表面產(chǎn)生畸變雷擊電場；若在槳葉表面還形成水膜，則其中的離子受電場的作用會沿槳葉表面運動，這些狀況，將導致槳葉表面的沿面閃絡(luò)電壓下降，槳葉將更易遭雷電放電擊穿而損壞。二是槳葉表面受到諸如鹽分污染或油污污染時，其沿面閃絡(luò)電壓將降低，更易遭受雷擊損壞。因此，為改善槳葉的防雷性能，就必須保持槳葉表面光滑、均勻和免遭污染，以提升其抗沿面閃絡(luò)的能力。endprint

2.3 提升風力發(fā)電機組槳葉防雷接閃器及其引下線承受雷電流所引起的電應力、熱應力和電動力的能力

當槳葉防雷接閃器和引下線有雷電流通過時，其將受熱溫度升高，導致機械強度減弱。接閃器和引下線材料溫升計算公式如下：θ-θ。=■×exp■-1（1）

式中： θ-θ。——接閃器、引下線導體溫升，K；？琢——電阻的溫度系數(shù)，1/K；W/R ——沖擊電流比能，J/？贅；？籽o——環(huán)境溫度下導體的電阻率，？贅·m；q——導體的截面積，m2；r——材料密度，kg/m2；CW——比熱容，J/kg。

因此，為提升槳葉防雷接閃器、引下線承受雷電流所引起的電應力、熱應力和電動力的能力，應采取切實有效措施，盡量使用截面積尺寸較大的金屬導體材料，其最小截面積如表1所示。

3 改善風力發(fā)電機組機艙防雷性能

機艙是風力發(fā)電機組重要組成部分，其內(nèi)設(shè)備眾多，既有強電設(shè)施，亦有弱電設(shè)備，故其防雷的任務(wù)是比較繁重的。為改善風力發(fā)電機組機艙的防雷性能，應從以下幾個方面著手：

3.1 改善機艙防雷設(shè)施的屏蔽性能

要改善機艙防雷設(shè)施的屏蔽性能，應從三個方面優(yōu)化機艙及其內(nèi)設(shè)施（備）的屏蔽措施：一是優(yōu)化機艙的殼體外部屏蔽措施。我們知道，風力發(fā)電機組的機艙罩分為金屬類和非金屬類兩種，當機艙罩為非金屬類時，可在機艙罩表面布置金屬網(wǎng)（帶），并做好接地，以提升初級屏蔽效能；當機艙罩為金屬材料制成時，這相當于一個法拉第籠，只要將機艙罩做良好的接地即可。二是優(yōu)化機艙殼體內(nèi)部空間屏蔽措施。為改善和提升機艙的屏蔽性能，對于非金屬材料制成的機艙罩，應在其內(nèi)部設(shè)置金屬網(wǎng)與金屬框架等構(gòu)成內(nèi)部屏蔽空間，建議這種金屬網(wǎng)和金屬框架（法拉第籠）的最大網(wǎng)格尺寸為到有風險的最近設(shè)施（備）距離的1/3。三是優(yōu)化機艙內(nèi)設(shè)備及線纜的屏蔽措施。一方面機艙內(nèi)除了需要隔離的設(shè)備外，其金屬外殼均應與機艙底板連接，并做好接地，提升次級屏蔽保護性能，同時，這些設(shè)備還應做好等電位連接，以實現(xiàn)等電位，防止各設(shè)備之間在雷擊時出現(xiàn)過大的暫態(tài)電位差而導致反擊的發(fā)生，危及人身安全。另一方面，必須優(yōu)化和加強對進入機艙的電纜和導線的屏蔽保護，凡進入機艙的電纜和導線應采用雙層屏蔽措施，且外屏蔽層應采用多點接地，內(nèi)屏蔽層則采用單點接地，確保進入機艙的電纜和導線不會將大部分雷電流或瞬態(tài)過電壓傳導進入機艙，達到優(yōu)化防雷保護性能的目的。

3.2 提升和優(yōu)化風電機組機艙內(nèi)軸承和齒輪箱承受因雷電流而引起的熱應力的能力

改善和優(yōu)化軸承和齒輪箱承受雷電流熱應力能力的途徑有兩種：一是旁路分流方法。即在低速軸前端建立低阻抗通道分流。這要求電刷和滑環(huán)應采用導電性能良好的而抗強度高的材料，同時盡量增大其接觸面積，以加大通流容量和減少接觸電阻。二是阻斷隔離方法，即在通過軸承的電流通道中某一環(huán)節(jié)加入足夠大的電阻或絕緣層來增加軸承、齒輪箱和連接機艙底板的高速軸的雷電流通道中插入絕緣能力大于10kV、1.2/50？滋s的絕緣層，以阻斷雷電流。

4 改善和優(yōu)化風力發(fā)電機組接地裝置性

風場是由較大數(shù)量的風力發(fā)電機組組成，基于長水平接地極（>50m）的高電感意味著即使的確降低了整個風場接地系統(tǒng)的直流阻抗，也不能完全減少雷電過電壓的峰值的事實，我們認為：風電場接地效能的優(yōu)劣取決于每一風力發(fā)電機組接地裝置的接地性能的好壞。那么，我們可以采取以下的優(yōu)化措施來改善每一風電機組的接地裝置的接地性能：

4.1 適度加大接地極的尺寸，降低接地裝置的接地電阻

通常情況下，風力發(fā)電機組應采用B型接地裝置，根據(jù)GB/T21714.3的相關(guān)規(guī)定，B型接地裝置的等效圓接地面積應Se不小于LPS的接地極的最小長度（l1）為半徑所包圍的面積S1，即：Se>S1（2） Se=？仔re2（3） S1=？仔l(wèi)e2（4）

式中：re——B形接地極所在區(qū)域的等效半徑，m；

l1——水平接地極的最小長度，m；l1的取值根據(jù)GB/T21714.3確定。

根據(jù)式（2）、（3）、（4）可知，對于不同防雷類別的風電機組，其接地極的尺寸必須滿足規(guī)范要求，將其接地電阻降至10？贅以下，才能確保接地裝置及時泄散雷電流，并達到電位均衡的要求。

4.2 采取必要措施，改善和優(yōu)化接地極的性能穩(wěn)定性和持久性

風力發(fā)電機組的接地裝置性能會隨時間的變化而變化，其性能參數(shù)的變化會極大地影響接地裝置泄流能力和電位均衡，因此，接地裝置性能的穩(wěn)定和持久運行將決定和影響風電機組的正常運行。我們可以從兩個方面采取切實可行措施，改善和優(yōu)化接地極的性能的穩(wěn)定性和持久性。

①提高風電機組接地極的使用壽命。要提升風電機組接地極的使用壽命，必須從接地極的材料的選擇入手。為保證風電機組接地裝置具有較長的使用壽命（？叟40年），建議其接地極材料采用銅材或覆銅鋼為宜。同時，在接地裝置的施工過程中，還必須做好防腐蝕措施，接地極的原材料應與其連接部件、固定部件的材料具有相同的電化學特性，且在濕氣和腐蝕的土壤環(huán)境中，有良好的耐腐蝕特性。例如，銅材接地極，除非其部件采取了防腐蝕措施，否則，在任何其他情況下，不能安裝在鍍鋅鋼材、鋁材上面。

②采取措施，穩(wěn)定風電機組接地裝置的接地電阻值。一是要保證接地裝置在使用期限內(nèi)，其接地極整個長度都具有永久的導電連接；二是根據(jù)接地裝置所在土壤的狀況，多采用垂直接地極，以期獲得不隨時間和季節(jié)變化的穩(wěn)定電阻；三是風機機組接地極應與現(xiàn)有的埋地電纜和金屬管道以及其他接地裝置保持足夠的安全距離，避免彼此間的相互干擾而影響其接地電阻值。

5 改善和優(yōu)化電涌保護器（SPD）的在線運行性能

①應充分考慮和分析風電機組強電和弱電系統(tǒng)中不同位置SPD的電氣環(huán)境和工作環(huán)境。SPD能否勝任其安裝點的工作任務(wù)，首先，取決于其在浪涌條件下承受的應力，這一應力是很多復雜且相關(guān)參數(shù)的函數(shù)：1）風電機組內(nèi)部SPD的位置；2）雷擊風電設(shè)備的耦合方法；3）風電機組內(nèi)雷電流的分配；4）進入風電機組相關(guān)設(shè)施的阻抗和電感；5）雷電騷擾的波形；等等。其次，SPD正常完成其工作任務(wù)，還取決于SPD的工作環(huán)境，即SPD工作環(huán)境溫度、濕度等氣象要素對其的影響。endprint

②要提升SPD在線運行的性能，應在選擇SPD的安裝位置時，充分考慮其經(jīng)濟得益和技術(shù)得益的原則。所謂SPD安裝位置選擇的經(jīng)濟得益，就是指SPD所能保護的風電設(shè)備的數(shù)目越多越好。這就要求SPD須安裝在風電機組的LPZ0與LPZ1交界處；所謂SPD安裝位置選擇的技術(shù)得益，就是指SPD越靠近被保護的風電設(shè)備，則其保護效果越好。

③為提升SPD在風電機組內(nèi)在線安全運行的性能，須重視其性能參數(shù)的選擇，降低其在線運行的安全風險。在進行SPD性能參數(shù)的選型時，尤其對Uc、Up和通流容量（In、Iimp、Imax）的選擇給予高度重視，避免產(chǎn)生SPD在線運行的安全問題。

④改善和優(yōu)化SPD在線安全運行的性能，還應減少SPD裝置中及其連接導體的寄生電感。要保證SPD能在電涌電壓作用下及時可靠地動作泄流限壓，必須切實有效地減小SPD的寄生電感，主要方法有：1）最大限度縮短SPD兩端連接導線的長度，通常其長度應？燮0.5m；2）最大限度減小由連接導體構(gòu)成的回路面積；3）泄放雷電流的多通道方法；等等。

⑤要想改善和優(yōu)化SPD在線安全運行的性能，還可以采取現(xiàn)代傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，加強對SPD在線運行狀態(tài)的監(jiān)測。SPD在線監(jiān)控系統(tǒng)可采用物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)搭建，包括感知層、傳輸層和應用層，可實時檢測SPD運行環(huán)境的溫濕度、后備電流保護器的狀態(tài)和SPD的性能參數(shù)狀態(tài)，這為SPD的安全運行提供了技術(shù)保障。

6 總結(jié)

綜上述，從雷電的危害角度來說，風力發(fā)電機組的運行環(huán)境是比較惡劣的。風力發(fā)電機組為了抵御雷電的侵襲，大多采取了綜合防雷的措施。筆者從優(yōu)化和改善風力發(fā)電機組雷電流泄流路徑、槳葉及機艙的防雷性能、接地裝置的性能和優(yōu)化SPD在線安全運行性能等五個方面，提出了改善和優(yōu)化風力發(fā)電機組綜合防雷性能的內(nèi)容和方法，這對風電場和風力發(fā)電機組的防雷設(shè)計、施工和檢測驗收均有現(xiàn)實的實踐意義，為風電機組的持續(xù)可靠運行提供了切實可行的技術(shù)支撐。

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