风电机组雷击损伤分析与防护

风电机组雷击损伤分析与防护

陈晓波

国家电投集团广西电力有限公司运营服务分公司，广西 南宁 530000

摘要：风能越来越被认为是清洁的可再生能源。中国的风力发电储量庞大，分布广泛，风力发电正在迅速发展，成为仅次于欧洲、美国和印度的世界主要市场之一。随着风力发电自主能力的提高，风力发电塔越来越高。此外，大型风力发电机通常安装在开阔的山区或山区，这增加了它们闪电的可能性。例如，对风力涡轮机的防雷设计给予了相当大的关注。本文将介绍机组雷电的特点和叶片及轴承部件雷电的破坏机理，探讨机组直接雷击的防护措施。

关键词：风能；风力发电机；雷电防护；措施分析；

前言

由于风力发电机所处的地理位置和建筑结构，闪电撞击的可能性增加，从而使闪电成为影响风力发电机安全运行的一个重要因素。应根据风力发电机的特点和风力发电场的实际情况来考虑风力发电机的防雷问题。根据综合管理、全面防御、多重保护和分层保护的原则，雷击防护系统的工程设计应采用防雷和防雷电磁脉冲法，以减少直接闪电和灵敏闪电对风力单位的影响。

一、风力发电机组雷击特性

1.雷击部位

风力发电一般建在沿海地区、高山等由于其独特的结构，它们很容易在该国不同地区的不同情况下引起风暴。根据调查数据和使用滚动球法进行的研究，受闪电影响的风力发电机的主要组成部分是叶片、风球、电力系统、控制系统(轴承、舱)和发电机。

2.雷击概率分析

在国外进行的研究表明，闪电对风力发电机的影响率如下:叶片(15-20%)、电力系统(15-25%)、控制系统(40-50%)和发电机(5%)。从图1的几何角度来看，当单位高度和叶片长度增加时，沿单位滚珠丝杠产生的空间照度会增加和增加，从而增加闪电撞击单位的可能性。由于叶片位于不同的空间位置，因此单位空间的照度曲面也会发生变化。研究表明，叶片的单位高度和长度与闪电的概率直接相关，叶片的倾斜对单位闪电的概率有重大影响。国外实验数据表明，当一个刀片直接向上滚动时，被闪电击中的可能性最大，另外两个刀片正好在两侧。图1显示了正上方的叶片，通过左侧和右侧叶片的最外侧点与地面上的两个点相切，形成了一个曲面。

3.雷电损坏机制

闪电轨迹的破坏机制。当雷电电流进入机组时，一方通过轴承和驾驶室沿传导线，进入塔顶，最后通过塔板或特殊传导线引导到表面。在此过程中，它会产生热效应和机械效应，或导致地球表面升高，从而产生等级和接触应力。在临时放电状态下，由于矿用电流波形头坡度较大，流动道路周围产生了突变电磁场，从而干扰磁场、电力线、信号、电力线或发电机控制系统，损坏了电力闪电销毁刀片的机制。叶片中所用材料的强度相当高，即使在正常情况下也不容易驾驶，但在强涡流作用下可能会产生传导通路。当刀片受到闪电的影响时，闪电释放的巨大能量导致刀片结构中的温度急剧上升，分解气体在高温下膨胀。当温度达到刀片材料的熔点时，接头中会形成一个孔，压力增大可能导致断裂。闪电破坏轴承的机制。矿井电流对轴承的破坏作用与矿井电流在轴承中的传播路径密切相关。吨重电流首先通过轴承圆周上载荷区域中滚子和垫圈之间的接触形成的路径流动，然后通过电弧焊透轴承圆周上空载荷区域中滚子和垫圈之间的短空气间隙形成的路径流动。路径上的闪电效应可能会对设备造成各种损害。

二、雷电防护技术

1.桨叶防雷

闪电造成的刀片损坏。叶片是风力发电系统中最脆弱的组成部分，修理损坏的费用是整个风力发电系统修理闪电损坏的最高费用。叶片主要由玻璃钢、CFRP、木材、钢和铝组成，通常由外壳和内部梁组合而成。由于强度较高，即使在正常情况下也不容易驾驶，但在强电流的作用下可能会产生传导通路。刀片受到闪电影响时，刀片上可能有三个放电通道，即外壳内外表面与外壳材料堆之间的接口。雷击电流可通过表面放电通道直接传输到外壳外表面，或在雷击处创建热熔孔，孔内侧可沿外壳内表面或材料叠加界面表面放电通道延伸。在某些情况下，闪电产生的高压冲击波不仅会损坏直接受闪电影响的叶子，而且还会损坏其他不受闪电影响的叶子，从而损坏一到两片叶子。这次严重闪电事故在外国风电场多次发生。

雷击防护。传统的雷击防护装置主要由闪光灯和旁路组成。通常，闪电是圆盘形的，嵌在叶子的顶部，圆盘的表面与叶子的表面平齐。闪电以电子方式连接至分支线，该分支线固定在刀片体中，并延伸至刀片的整个长度。当叶尖被闪电击中时，矿电流被闪电引入分流线，然后分流线将矿电流引入轮毂、低速轴和叶根塔，最后释放到地球上。这种雷击防护装置在制造过程中很容易做到，但现场作业经验表明，这种装置只对长度小于20米的雷击有效。对于长度超过20米的叶片，非闪光部分会有大量闪电，从而大大增加闪电损坏叶片材料的可能性。因此，最适当的方法是在长叶片上安装几个地震台，每个地震台都以电子方式连接到内部分界线。这可以大大提高防雷装置对闪电漂移线的截获性能，并降低闪电刀片表面非闪电部分的可能性。

2.轴承防雷

闪电电流损坏轴承。当风力发电机受到闪电影响时，轴承是另一个可能受到闪电电流损坏的部件。刀片被闪电击中后，雷击流的一部分从刀片转向主轴，进入主轴的大量雷击流将进入轴承。闪电电流通过轴承后，轴承中的辊和环损坏，从而危及轴承的运行可靠性。矿井电流对轴承的破坏效应与它在轴承中的传导路径密切相关。有两种主要类型的传导路径:一种是由轴承圆周上的负载段滚子与圆环之间的接触形成的路径。另一个路径是滚子和套筒之间的短空气间隙，该间隙在被电弧焊透后位于其圆周的空白部分。此外，旋转轴承还可能影响传导性能和破坏两条传导通路上的矿电流。轴承防雷保护。轴承防雷的主要方法是在轴承前建立低强度平行通道，沿轴偏转传来的闪电电流，使闪电电流通过轴承的程度尽可能低。常用的导体包括集结环、电动刷子和排气装置。

3.疏通雷电流

在闪电情况下，为了减少雷击电流的有害影响，必须始终通过电动刷子、舱底板和偏转系统的滑动环，从叶片或舱后避雷器将雷击电流引入塔内，然后通过以下方式散布到地面但是，在该路径上有两个接触部分影响矿电流的流体流动:一个是运动摩擦接触部分，另一个是静态接触部分。摩擦接触位置是刷或滑动环的位置，雷击电流通过双方相对运动的摩擦接触表面，接触强度随接触表面刷或滑动环磨损而增加。此外，一个大容量单位的塔相对较高，由若干部分组成。如果两段之间以及塔底和接收体之间的接触不够紧密，则这些静态接触部分的接触强度相当大。因此，必须采取措施，释放引导轨道，使雷击流沿该轨道顺利流动。对于电动刷子和集料环，应使用导电性能好、耐磨性强的材料，并在条件允许时尽可能提高接触强度，以提高流动能力和减小接触面积。

结束语

综上所述，风力发电机防雷保护的一个关键要素是，通过防雷装置，迅速和安全地从风力发电机中释放电力，从而最大限度地减少风暴对风力发电机的影响。因此，在安装风力发电机之前，即在选择风力发电场的地点、规划和设计时，必须考虑到雷击，以确保风力发电机的安全和有效运行。

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