风力发电系统防雷技术改进分析

风力发电系统防雷技术改进分析

仲卫国

上海电气风电设备东台有限公司 江苏省东台市 224200

摘要：近年来，随着全球经济一体化进程的不断加快，由此极大的推动了各个前沿领域的发展，电力负荷的增加也使得对电能的需求在不断增长，加之目前传统发电企业的环境污染问题也引起人们的关注，风力发电能新型环保绿色发电形式则成为目前追捧的焦点。在目前我国不断加大风电场的建设规模和数量，而且提高风电机组容量和参数的同时，也增加了风机的高度以及叶轮直径，导致在其运行中也出现了其中比较严重的雷击问题。

关键词：风力发电系统；防雷技术；改进

引言

电能是我国企业生产与经营的主要动力源泉，在企业的发展中占据重要地位。风力发电是一种清洁的可再生能源，近年来快速发展。随着风力机输出功率的逐渐增大，塔筒的高度以及叶片的直径也逐渐增大，但与此同时，也增加了风力机遭受雷击的风险，因此风力机组防雷技术的研究不容忽视。

1雷电的危害

风力发电机由于需要借助风力获得能源，因此需要建设于比较空旷的区域，并且这一设备本身携带的叶片更需要在比较高的空中才可以，因此也比较容易受到雷电的袭击。当受到雷电的袭击时，设备中的叶片是主要的受袭击区域，雷电损害的部位也主要是在叶片的尖顶部位，很少会使整个叶片都发生损坏。但是风力发电设备的整个花费都非常高，尤其是叶片这部分更是需要较高的成本费用。当受到雷电袭击时，就需要及时维修或者更换新的设备，但是不论是维修还是更换都需要花费一定的费用。当叶片受到雷电的袭击时，会释放出大量的能量，进而导致整个叶片的温度比较高，尤其是叶尖部分的温度会急剧升高，雷电伴随的雨水受到温度的影响，也会产生气化膨胀的现象，进而产生较大的机械力，使得叶尖的结构破损。当受到较为严重的雷电袭击时，整个叶片都会损坏。由于这一袭击造成的不良影响非常大，因此必须做好风力发电设备的防雷电技术，并且随着科技的进步不断更新新的使用设备和使用技术，以维护电力系统的正常运行，为人们的正常用电提供保障。

2风力发电系统防雷技术改进分析

2.1风电场进行整体防雷

风电场的总体防雷指的是：依据雷击电气几何模型理论和电场强度大的地方引雷能力强的特性，把风电场作为一个整体，根据当地的地形、地势、气象条件和风电机组布局等情况，并考虑经济性，在风电场易受到雷击的位置设置若干个相互独立的接闪针塔，当雷电靠近风电场时，由于风电机组上电场强度远弱于独立接闪针塔顶处，就使得雷击发生在接闪针塔上，从而避免发电机组免受雷电破坏。

2.2对雷电进行主动避让

首先，借助天气预报实现对雷电情况的科学预警，一旦风电场进入风雨环境，则要立即停止风机的工作，同时确保风机的浆叶位置是不容易接闪的区域，从而实现避免浆叶发生雷击的现象。如果风机在高速运转时发生暴风雨天气，则会因浆叶位置具有明确的不确定性而极易被雷电击中，同时还无法对雷电进行有效的导流。其次，运转状态下的风机浆叶转速较大，会伴有较大的运动惯量，发生雷击时则会产生大量的热量，同时自身的机械振动也较大，这些因素加速了风叶的损坏。如果风叶是在静止状态下接闪，那实际受损率则较低，后期修复工作也较为顺利，同时静止状态下的风叶还能及时切断电源，避免雷击电流被传向其他风电机组而造成设备的损坏。

2.2叶片、机航、塔架防雷

电力发电设备在外部的主要构件为叶片、塔架以及机航，做好这些构件的防雷设施尤为重要。受到雷电袭击时，叶片会因温度的升高、内部气体膨胀而产生爆炸，严重时会造成整个设备的烧毁。为了避免这一现象，可以在叶尖顶部设置排水管，即可以将其受到雷击后内部产生的湿气排出，避免了气体的膨胀。此外，叶片本身是具有导电性的装置，但是并不是本身的导电性越小而被雷电袭击的可能性就越小，雷电对于整个设备的损害取决于叶片的形式。因此，可以在叶尖顶部安装接闪器。这一设备具有导电的功能，可以在叶片受到袭击时捕捉闪电，然后将这些雷电引入大地，避免了雷电直接对叶片造成的损害。此外，在机舱的顶部安装避雷针是避免风速计以及风标被损坏的重要措施，通过专门设置的引下线将机舱以及塔顶做好连接，雷击发生时并不会被电流损坏，从而可以将雷电击中的电流顺利地引入到大地。

2.3防雷的接地设计

当风电机组被雷电击中时，接地装置需要将雷电流快速安全的引入大地，而此时，接地电阻的数值越小，则由雷电产生的过电压就越低，雷电流进入大地的速度越快，高电压持续的时间也越短，其接触电压和跨步电压也比较小，从而有利于人员和设备的安全，接地系统的设计必须有总体性。风机的接地装置一般是在塔筒基础周围设置环形接地装置，这是因为风机位的底部结构是一个由金属材料构成的大型笼体，若在其周边设置环形金属装置，等于在风机位周围设置了一个等电位面，既可以防止瞬间过电压造成的风机电子电器设备的损坏，还可以防止跨步电压造成的人员伤害。接地装置的制作通常是在距风机基础外缘超过5m处设置一圈由截面积不小于60×6mm 2的热镀锌扁钢制作的接地体，环形接地体一般埋置在地下0.5m以下，此环形接地装置和基础钢筋进行至少四处的连接。如果风机塔基处土壤的电阻率较高，接地电阻值则达不到工频接地电阻不超过4Ω，冲击接地电阻不超过10Ω的要求，则需向下和向外敷设垂直接地体和水平接地体，同时使用降阻剂包埋水平接地体。风机基础与箱式变压器共同使用一套防雷接地系统，此接地系统同时作为安全接地、工作接地和防静电接地；风机接地体同塔筒的等电位压环和风机基础的钢筋相交点的连接必须可靠。

2.4科学选择接地体

现阶段我国通常选择镀锌铜作为风电机组的接地导体，而铜和铜包钢材质的接地导体在国外的应用概率较高。不同材质的金属接地导体具有不同的腐蚀性，例如铜与铜包钢材质接地体的腐蚀深度为0．028 mm，而镀锌钢材质接地体的腐蚀深度为0．89 mm，并且镀锌层位置的腐蚀点极易出现严重的腐蚀现象。所以，科学选择接地体十分重要。因为一旦接地体发生腐蚀超标现象，则会对雷电泄流过程造成严重的阻碍，从而对风电机组中的电子系统造成直接性的损坏。

2.5电子信息系统防护

首先就是为了对电磁干扰的感应效应进行减少而采用将屏蔽措施在风机与控制室外部进行设置，并联合使用合适的路径进行线路敷设和屏蔽等方式。其次就是针对机舱内各种机柜的防护，组要是通过变桨控制柜、使用双绞线通讯在机舱到变桨柜之间，以及采用在机舱控制室与塔底控制室之间的UPS进线端安装电源避雷器等方式。最后就是针对塔底设备柜的防护。就是在各设备采用三级SPD防护的雷电波防护方式。

2.6等电位连接

就历史数据来看，风速计、风标等也是容易遭受雷击的关键部位，这样为向其提供可靠保护，可以采取等电位连接的方法处理。将容易遭受直击雷影响的部位与避雷针进行等电位接地，尤其是机舱内所有金属设备和外部导体，与机舱主框连接作为等电位，与接地装置可靠连接。并且基础接地体与环形接地体顶端接线夹需要接入到塔架内部，与标记的等电位连接带进行连接，提高防雷保护效果。

结语

。根据目前国内外的统计结果，风机的雷击损坏主要集中在叶片和电子电气系统，前者主要由直击雷引起，后者主要由雷电感应过电压和过电流引起。如能从国家层面或者行业层面建立一个风机雷害的数据库，则对研究风机雷害的规律和风机雷电防护技术方法意义重大。

参考文献

［1］王金元．风力发电系统防雷技术改进分析［J］．通信电源技术，2019(12):33－35．

［2]樊娅男．风力发电防雷检测要点［J］．科技风，2018(25):10－12．