張宏偉張宏閣伍澤之楊振華

阿拉善盟氣象局（阿拉善 750306）

阿拉善盟風力發(fā)電防雷技術(shù)淺談

張宏偉張宏閣伍澤之楊振華

阿拉善盟氣象局（阿拉善 750306）

風力發(fā)電機組一般安裝環(huán)境地勢開闊，室外風機主體較高，極易遭受雷擊。同時，室內(nèi)的各種電子控制設(shè)備極易遭受雷擊的侵害。本文從風力發(fā)電機組綜合防雷的角度出發(fā)，討論了風力發(fā)電機組的直擊雷防護、接地、等電位連接和雷擊電磁脈沖防護等防雷基本措施，從而保障了工作人員生命財產(chǎn)安全和風力發(fā)電機組的運行安全。

風力 發(fā)電機組 防雷

近年來，隨著世界各國對可再生資源的關(guān)注，風能的利用得到了高度的重視。伴隨而來的是風力發(fā)電技術(shù)取得的長足進步。風力發(fā)電技術(shù)是目前最成熟的一項新能源技術(shù)。風機一般都是暴露在自然的曠野之中，處于高雷擊環(huán)境，所以無法避免的會受到雷擊災(zāi)害，而且發(fā)電機組中有很多電子元件，雷電災(zāi)害對其的影響尤為巨大。

風力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，使得風力發(fā)電機組容量越來越大，為了更有效的利用風力資源，葉輪直徑和風塔高度也隨之增加，同時也增加了被雷擊的概率，雷擊就成了威脅風力發(fā)電機安全運行的最大天敵。因此，必須得為風機內(nèi)部的電子、電氣設(shè)備安裝可靠的防雷保護裝置。才能將設(shè)備的故障率及維修費用降低，并且大大提高設(shè)備的正常運行時間，為投資者帶來更大的回報。風力發(fā)電機無法避免的會遭受雷擊的影響，所以應(yīng)該在設(shè)計初期就做好相應(yīng)的防雷保護措施，防范于未然，減少日后的維護費用。

1 風力發(fā)電概述

1.1 阿拉善盟風能資源概況

阿拉善高原地處亞洲大陸腹地，遠離海洋，太平洋和印度洋潮濕空氣波及甚微，形成典型的大陸性氣候。其特點為降雨量稀少、日照強烈、冷熱巨變，加之地處高空西風環(huán)流區(qū)，全盟多大風天氣，尤其冬春大風頻繁，年平均風速3.5-5.0 m/s，風力大、風沙多是本地區(qū)的氣候特點，全年大風日數(shù)10-108天。

風能資源豐富，據(jù)初步估算約2.1億kW，占內(nèi)蒙古自治區(qū)風能儲量的五分之一。年平均風速3.65 m/s，風速在3.0-6.0 m/s之間累積時數(shù)平均4 749 h，大于6.0 m/s的風速累積時數(shù)平均1 620 h。阿拉善盟的風速從東向西逐漸增大，其中額濟納旗的呼魯赤古特年平均風速達5.0 m/s以上，其次是拐子湖、老東廟、吉柯德，阿拉善右旗的額肯呼都格年平均風速4 m/s以上。北部地區(qū)為風能資源豐富區(qū)，全年有效風能儲量1 000-1 600 kw·h，全年最長連續(xù)無效風時數(shù)不到50 h。春季3-5月是全盟風速最大的季節(jié)，平均風速為4.0-5.8 m/s，呼魯赤古特、拐子湖、老東廟、吉柯德、巴音毛道、哈日敖日布格、上井子等地年平均大風日數(shù)都超過50天。

目前，阿拉善盟已經(jīng)建成多個風力發(fā)電廠，風力發(fā)電發(fā)展前景良好。

1.2 風能和風能發(fā)電的定義原理

風力發(fā)電是利用風的動能帶動風車葉片讓其旋轉(zhuǎn)，從而將動能轉(zhuǎn)換為機械能。同時，為了提高旋轉(zhuǎn)的速度，將葉輪的轉(zhuǎn)軸與增速機連接，通過轉(zhuǎn)軸來帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，從而有效促使電機發(fā)電。根據(jù)當前的風車技術(shù)，以每秒三公尺的微風速度就可以推動發(fā)電。發(fā)電裝置又稱為發(fā)電機組，大致可以劃分為風輪、發(fā)電機和鐵塔三部分，一般大型風力發(fā)電站沒有尾舵，小型的才會有。風輪是將風轉(zhuǎn)化為機械能的重要構(gòu)成部件，由兩只或兩支以上的螺旋槳性葉輪所組成。當風葉通過風的吹動時會產(chǎn)生氣動力，從而推動風輪轉(zhuǎn)動。風葉的材料要求強度要高、質(zhì)量要輕；為了解決風輪所受風力大小方向變化所帶來的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，必須增加一個調(diào)速機來提高風輪轉(zhuǎn)速，以確保其保持穩(wěn)定。同時，在風輪后裝置風標尾舵，讓風輪始終對準風向獲取最大功率；風輪、尾舵和發(fā)電機需要一個構(gòu)架支撐，鐵塔就是起到對這些部件的支撐作用。為了獲取一定強度和均勻的風力，一般將鐵塔修建的比較高，其高度根據(jù)地面障礙物對風速的影響及風輪的直徑而定（見圖1）。

圖1 風輪鐵塔高度確定示意圖

2 風電機組綜合防雷保護系統(tǒng)

2.1 雷電對風電機組的危害

風機都是設(shè)立在曠野當中，且高度較高，隨著高度的增加被直擊雷擊中的概率也相應(yīng)的增加，因此風機是處在一個容易被雷電擊中的高危險環(huán)境當中的。目前國內(nèi)風機的最大容量已經(jīng)達到了5 MW，高度更是隨之增加，風葉高度達到150 m以上，被雷擊的概率也是相應(yīng)的增加。在風機內(nèi)有限空間內(nèi)集中了大量的電子、電氣設(shè)備，雷電帶來的強大電涌，無疑將給風電機組帶來嚴重的破壞。

表1是瑞典、丹麥和德國此三國雷擊風機事故的匯總表。從數(shù)據(jù)中我們可以看出，平均每100臺風機每年因為雷擊事故而造成的損壞數(shù)量是3.9到8臺。

表1 雷擊損壞頻率表

通過對國內(nèi)外因雷擊而損壞的風機進行分析后，我們發(fā)現(xiàn)：在被雷擊損壞的風機中，控制系統(tǒng)部件被損壞率達到40-50%。

隨著防雷裝置在風機中的廣泛采用，風力發(fā)電機組受到雷擊引發(fā)事故的情況也在發(fā)生著改變。在舊的風力發(fā)電機組中受到損壞的部件主要是控制系統(tǒng)，而在廣泛采用了防雷技術(shù)的新的風力發(fā)電機組中，受到雷電損害的部件主要是風葉部分。所以從中可以看出風機安裝了防雷保護裝置后，控制系統(tǒng)的損壞率明顯下降，說明風機的防雷保護已經(jīng)取得了很大的改善。

風力發(fā)電機在遭受雷擊損害后將無法運行，后續(xù)的維修及分析，將持續(xù)一段時間。而在這段時間內(nèi)風機將無法運行，這對于投資者來說將是很大的損失。所以將雷擊事故防范于未然，使發(fā)電機組能長時間穩(wěn)定的運行才能給投資者帶來回報。

根據(jù)國內(nèi)外風電的雷擊事故中我們可以分析得出，雷擊不僅會造成機械損壞，還常常會對風機中的電子控制部分也造成損壞。所以說雷電對風機的影響，最主要依舊在于對電子、電氣設(shè)備的損壞上。采取合理的內(nèi)外部防雷裝置及措施來保護風電顯得尤為重要。

2.2 接閃器

由于風機的風葉始終處于風機的最高位置，所以風葉是風力發(fā)電機組上最容易受到雷擊的部件，對風葉造成不可逆的機械損傷，在整個風力發(fā)電機組的雷擊損壞維修成本中，它的損壞維修費用所占額度最高。風葉主要有玻璃纖維增強塑料（GRP）、碳纖維增強塑料（CFRP）、木質(zhì)、鋼和鋁等材料組成，其結(jié)構(gòu)常為外殼加內(nèi)梁的組合形式，由于所采用殼體材料的電阻率相當高，材料本身在正常情況下是不易導電的，但在強大雷電流作用下就能夠產(chǎn)生導電路徑，從而產(chǎn)生高溫，燒毀風葉表面材料，可能使風葉出現(xiàn)裂痕，嚴重的可能會導致風葉斷裂。因此對風葉預先安裝上接閃器，提供一個泄放雷電流的通道，讓其安全、可控的流入大地當中。風葉上安裝的接閃器可以用30×3.5 mm鍍鋅扁鋼作為連接帶連接到風機中間部位。而機艙內(nèi)的滾珠軸承，將它兩端用放電間隙或者碳刷的方式連接起來，這樣就可以避免巨大的雷電流在通過軸承時引發(fā)的焊接效應(yīng)。通過在機艙頂部安裝避雷針的方式,保護其不會受到直接雷擊。

2.3 引下線

對于是金屬塔身的風機，可以直接用其塔身作為引下線，不需再另行鋪設(shè)；而混凝土塔身的風機，則需要在塔身采用內(nèi)安置引下線的辦法（引下線選材：鍍鋅扁鋼30*3.5 mm或者鍍鋅圓鋼φ8～10 mm）。

2.4 接地系統(tǒng)

風機的接地地網(wǎng)是由風塔的塔基的接地極所提供，塔基的地網(wǎng)應(yīng)該和旁邊控制室的地網(wǎng)相連接起來，這樣就形成一個等電位連接帶，當泄流雷擊電流時就不會產(chǎn)生電位差，保障設(shè)備的安全。

地網(wǎng)可采用40×4 mm扁鋼沿塔基外圍敷設(shè)環(huán)形水平接地網(wǎng)，同時埋入φ25的圓鋼作為垂直接地體，垂直接地體埋設(shè)的間距為其長度的2倍，并將垂直接地體于水平接地體相連共同組成接地網(wǎng)。塔身周邊每隔1 200 mm與接地網(wǎng)連接，同時與塔基混凝土內(nèi)鋼筋連接。

如接地電阻達不到要求，可采用如下方法改善：外引接地，使用降阻劑，深井接地。

2.5 防雷擊等電位連接

等電位鏈接在內(nèi)部防雷系統(tǒng)中占據(jù)著重要的地位，它能有效的減少部件之間存在的電位差。其原理是通過把所有導電的部分連接起來，達到一個相近的電位，從而降低電位差對電子、電氣設(shè)備的影響。在風機的等電位連接系統(tǒng)中，我們應(yīng)該對信號、電源線路和金屬管線都進行可靠的等電位連接，然后再通過浪涌保護器與主接地網(wǎng)連接起來。

2.6 電磁屏蔽系統(tǒng)

電磁屏蔽系統(tǒng)是為了減少電磁干擾的系統(tǒng)，由于風機本身是個發(fā)電機，所以其機艙內(nèi)部的所有電子、電氣設(shè)備都應(yīng)該用金屬屏蔽罩罩起來。這些金屬屏蔽罩都應(yīng)該與等電位系統(tǒng)連接起來。

2.7 浪涌保護

根據(jù)浪涌保護器安裝的位置和風機內(nèi)設(shè)備的不同，將風機內(nèi)設(shè)備的浪涌保護分成7個部分，分別是：

（1）發(fā)電機的保護

（2）變壓器端的保護

（3）遠端監(jiān)控系統(tǒng)的保護

（4）塔基控制柜的保護

（5）塔基變頻柜的保護

（6）輪轂變槳系統(tǒng)的保護

（7）機艙開關(guān)柜的保護

從防雷保護區(qū)的LPZ0到LPZ1區(qū)的交界處必須安裝按照符合（10/350μs）波形測試的浪涌保護器或者較大通流量的保護器，它可以泄走大量的雷電過電壓而不會造成設(shè)備的損壞。

由于前面防雷保護區(qū)已經(jīng)泄流了大部分雷擊電流，流入后續(xù)區(qū)域的電流能力已經(jīng)明顯減小。在后續(xù)的保護區(qū)內(nèi)，一般選用殘壓較低的浪涌保護器（如8/20 μs波形的SPD），將剩余的雷電電流放進大地中。3結(jié)語

我國是個風電大國，從能源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，發(fā)展風力發(fā)電勢在必行。雷電災(zāi)害給風力發(fā)電帶了諸多影響，采用合理適當?shù)姆览状胧┲荒軠p少損失，只有更多新技術(shù)的突破和應(yīng)用才能對雷電進行完全防護并加以利用。

總之，風電以其豐富的資源、良好的環(huán)境效益和逐步降低的發(fā)電成本，必將成為21世紀中國重要的電源。

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