譚輝

摘要：根據中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會的數據，我國中東部和南部地區(qū)的低風速風資源可開發(fā)量可達10億千瓦，目前已開發(fā)的資源量約為6000 萬千瓦，不到7%，未來還有93%的資源量有待進一步開發(fā)。中東部低風速區(qū)，資源分布不連續(xù)，土地資源稀缺，充分利用風資源的需求下，分散式風電在中東部地區(qū)將成為集中式的重要補充。截至2017年底，我國分散式裝機占比不足2%，而我國18省市適合分散式開發(fā)模式，市場空間廣闊，分散式風電未來是具有一定市場前景的。進一步做好風力發(fā)電機系統設備的防雷研究，對于風力發(fā)電公司能減少風力發(fā)電機的停機時間及能量的損失，有明顯的社會經濟效益。

關鍵詞：風力發(fā)電；防雷；保護

引言

在當前環(huán)境下，發(fā)展分散式風電具有重要意義。一是有助于解決風電介入對大電網的安全問題；二是分散式風電都位于負荷中心附近，利于消納，避免了“棄風”問題；三是解決了遠距離輸送帶來的能源損耗問題。隨著發(fā)電技術水平的不斷提高，單機容量大型化成為風力發(fā)電的趨勢，為了獲取更多的能量，風力發(fā)電機的塔架也建造的越來越高，相對的也增加了被雷擊的風險，雷擊成了自然界中對風力發(fā)電機組安全運行危害最大的一種災害。雷電釋放的巨大能量會造成風力發(fā)電機組葉片損壞、發(fā)電機絕緣擊穿、控制元器件燒毀等。為了降低自然災害帶來的損失，必須充分了解它，并做出有針對性的雷電防護措施。

1 風力發(fā)電機組的介紹

風力發(fā)電基本原理是：風機葉片在風力的作用下旋轉，并通過傳動軸和變速箱帶動發(fā)電機旋轉，產生電力，然后經過變壓、調頻等，再通過電纜送到外部電網。

風力發(fā)電機系統接地由幾大部分組成：由風機葉片、輪轂、機艙彎頭、偏航系統、變漿系統、塔架及控制系統組成的，能將風能轉換成電能的裝置。

（1）、輪轂和葉片部分

負責吸收風能，產生轉動的動力。一般葉片由復合材料制成，重量輕，直接接觸雷云。

（2）、機艙部分

內置變速箱、發(fā)電機組、和發(fā)電機電氣控制箱部分。電氣部分控制發(fā)電機的轉動，偏航對風，緊急情況下的剎車等。

（3）、塔筒和地基部分

為機艙、葉片等提供支撐，同時也是電纜走線和維修調試人員的通道，塔底開關柜控制電力的輸入和輸出。

2 風力發(fā)電機設備防雷的特殊性

風力發(fā)電機的防雷不同于普通的建筑物，它具有一定的特殊性，具體表現為下面的幾個特點：

2.1 所處的環(huán)境惡劣

風機分散安置在曠野、山頂區(qū)域，大型風機葉片高點（輪轂高度加風輪半徑）達60～100 m，遭受雷擊概率高；風力發(fā)電機組的電氣絕緣低（發(fā)電機電壓690 V、大量使用自動化控制和通信元件）。因此，就防雷來說，其環(huán)境遠比常規(guī)發(fā)電機組的環(huán)境惡劣。

2.2 風力發(fā)電機成本高

風力發(fā)電機組是風電場的貴重設備，價格占風電工程投資60%以上。若其遭受雷擊（特別是葉片和發(fā)電機貴重部件遭受雷擊），除了損失修復期間應該發(fā)電所得之外，還要負擔受損部件的拆裝和更新的巨大費用。

2.3 停工期損失大

風力發(fā)電機在正常發(fā)電運行期間，如遭受雷擊帶來的不僅僅是設備的損壞，還會造成大量的停工時間。根據實際工作統計表明，由于雷擊造成的風力發(fā)電機停工時間（這個停工時間主要是由電氣系統的檢修期、配件的定購期和運輸期等造成的），是風力發(fā)電機各種故障中停工期最長的故障。

3 雷電對風力發(fā)電機組的危害

風力發(fā)電機通常位于開闊的區(qū)域，而且很高，所以整個風機是暴露在直接雷擊的威脅之下，被雷電直接擊中的概率是與該物體的高度的平方值成正比。兆瓦級風力發(fā)電機的葉片高度達到150m以上，因此風機的葉片部分特別容易被雷電擊中。風機內部集成了大量的電氣、電子設備，例如開關柜、馬達、驅動裝置、變頻器、傳感器、執(zhí)行機構，以及相應的總線系統等。這些設備都集中在一個很小的區(qū)域內。毫無疑問，雷電感應及過電壓可以給風電機組帶來相當嚴重的損壞。

4 風力發(fā)電機組的雷電防護

風機的防雷是一個綜合性的防雷工程，防雷設計的到位與否，直接關系到風機在雷雨天氣時能否正常工作，并且確保風機內的各種設備不受損害等。

4.1直擊雷防護措施

在金屬塔架接地良好的情況下，葉片、機艙的外部（包括機艙）、塔架外部（包括塔架）、箱式變壓器應屬于LPZ0 區(qū)，這些部位是遭受直擊雷（繞擊）或不遭受直擊雷但電磁場沒有衰減的部位。

根據風力發(fā)電機的使用性質及其重要性，參照《建筑物防雷設計規(guī)范》50057-2010）關于建筑物的防雷分類，可以將風力發(fā)電機劃分為二類防雷建筑。

參照《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057-2010 及《微波站防雷與接地設計規(guī)范》YD2011-93 相關條款，風力發(fā)電機防雷接地電阻不能小于5Ω。

4.1.1葉片的防雷保護

直擊雷的防護在沒有技術突破的前提下仍然沿用傳統的防雷方法：利用自身的高度使雷云下的電場發(fā)生畸變，從而將雷電吸引，以自身代替被保護物受雷擊，以達到保護。這就要求風機的葉片的制作及其材料提出很高的要求，即葉片必須能夠承受足夠大的電流，并且在葉片上添加導電性能良好、自身重量輕的類似于碳纖維的材料，用單獨的線纜將葉片與塔身連接在一起，為雷電流泄放提供一個良好的通道。

4.1.2機艙的防雷保護

機艙主機架除了與葉片相連，還連接機艙頂上接閃桿，接閃桿用作保護風速計和風標免受雷擊。主機架再連接到塔架和基礎的接地網，有接閃桿的保護，可以迅速導走直擊雷，避免機艙遭到直擊雷的襲擊。

4.1.3塔架及引下線

專設的引下線連接機艙和塔架，減輕電壓降，跨越偏航環(huán)，機艙和偏航剎車盤通過接地線連接，因此，雷擊時將不受到傷害，通過引下線將雷電順利地引入大地。此外，設計下引線時，應考慮到，雷電流的傳輸不應使葉片的溫度超過允許值。

防雷接地電纜應有2 根接地引下電纜，即為葉片防雷接地電纜，直接從主軸滑環(huán)引入塔筒地基的2 個相鄰接地點；機艙防雷及 PE，直接從主軸滑環(huán)引入塔筒地基的其余的2個相鄰接地點。

4.1.4接地網

接地網設在混凝土基礎的周圍，并在塔基四周設置4個接地點，并應在接地導體與塔基中間加上兩個環(huán)導體，使跨步電壓更加改善。風機一般放置在高地電阻區(qū)域，地網要延伸保證接地電阻達到設備本身要求及規(guī)范要求。一個有效的接地系統，應保證雷電迅速入地，為人員和設備提供最大限度的安全，以及保護風機部件不受損壞。

4.2等電位連接

等電位連接是內部防雷保護系統的重要組成部分。風機中的各個部分需要有一個等電位連接。這些等電位可以防止發(fā)生雷擊時產生接觸電壓和跨步電壓，設備的等電位連接可以減少雷電對電氣和電子系統的損壞。

機艙外殼應采用鋼板制成，作為承受直擊雷的載體，在機艙的上方安裝幾支接閃桿，防止雷電發(fā)生繞擊和側擊時，穿透機艙，對機艙內設備造成損壞。如果機艙外殼為復合材料時，應在機艙外面敷設金屬網格，兼作接閃器和屏蔽之用。網孔宜為30cm×30cm，鋼絲直徑不宜小于2.5mm。必要情況下，需通過屏蔽計算，加大金屬網格的密度和鐵絲的直徑。

風輪與機艙間、機艙與塔柱間、尾舵與水平軸間應通過鉚接、焊接或螺栓連接等方法做可靠電氣連接，也可以通過單獨的多股塑銅線（截面不小于16mm2），各連接過度電阻盡量小，一般不大于0.03Ω。以上各部件連接為一個電氣的整體，使之遭受雷擊時，能有一個快速的通道沿塔身引入接地裝置。

4.3 屏蔽措施

屏蔽裝置可以消弱電磁干擾。機艙應該制成一個封閉的金屬殼體，相關的電氣和電子器件都裝在開關柜，開關柜和控制柜的柜體應具備良好的屏蔽效果。在塔基和機艙的不同設備之間的線纜應帶有外部金屬屏蔽層，且金屬屏蔽層的兩端均應與等電位連接端子相連接。

由于風力發(fā)電機為高聳塔式結構，非常緊湊，發(fā)電機、信息系統、控制系統都靠近塔壁，無論風輪、機艙、水平軸、還是尾舵受到雷擊，機艙內的發(fā)電機及控制系統等設備可能受到機艙的高電位反擊，在電源和控制回路沿塔筒引下過程中，也可能受到反擊。電力和信息回路由機艙到地面并網柜、變流器、塔底控制柜處應采取屏蔽電纜外，還應穿入金屬接地套管，使反擊率降低。

各電氣柜采用金屬薄板制作，可以有效地防止電磁脈沖干擾，在電源控制系統的輸入端，處于暫態(tài)過電壓防護的目的，采用壓敏電阻或暫態(tài)抑制二極管等保護設備與屏蔽系統連接，每個電控柜用不小于16mm2的多股塑銅線與接地端子連接。

4.4 過電壓保護

對于防雷保護區(qū)邊界處的傳導性干擾也需要有相應的保護措施，這樣才能讓電氣和電子設備可靠的工作。在防雷保護區(qū)的邊界處必須使用浪涌保護器，它不僅可以泄走大部分的雷電流而不會損壞設備，也可以將金屬設施和電源、信號線路之間由雷電引起的高電位差限制在安全的范圍之內。

根據建筑物信息系統的重要性和使用性質確定雷電防護等級，風力發(fā)電機組設備可以定為B級防護。在被保護的設備處加裝三級浪涌保護器。第一級采用開關型的電涌保護器，第二級和第三級采用限壓型的電涌保護器。

在發(fā)電機、開關盤等電源線路采用電源浪涌保護器保護。在控制器模塊電子組件、信號電纜終端等，采用信號浪涌保護器保護。風力發(fā)電機組的機艙彎頭內部的機艙柜、液壓站、電氣控制柜、塔筒內底部的箱變、風速風向儀、變頻控制柜、變漿控制柜、發(fā)電機的轉子側、發(fā)電機的定子側等部位都必須安裝浪涌保護器。

1）箱變的電源進線端與出線端應安裝浪涌保護器；相關的傳感器二端應安裝浪涌保護器；

2）變頻控制柜的電源線路上應安裝浪涌保護器；相關的通信線路的二端應安裝浪涌保護器；

3）機艙彎頭內部所有電氣控制柜內部的電源及信號線均應安裝浪涌保護器；

4）變漿控制柜內的電源及信號均應安裝浪涌保護器；

5）風速、風向儀的電源及信號二端均應安裝浪涌保護器；

6）機艙外部的吊裝設備的電源及信號二端均應安裝浪涌保護器；

7）發(fā)電機的定子側、轉子側及至變頻柜端均應安裝浪涌保護器。

為防止沿低壓電源侵入的浪涌過電壓損壞用電設備，供電回路建議采用TN-S供電方式。

以上防護采用三級防護的原則，在易遭受直擊雷的部位加裝通過Ⅰ級分類試驗的電源浪涌保護器，在艙底的設備柜內加裝通過Ⅱ級分類試驗的浪涌保護器，在弱點設備的電源處還應加裝通過Ⅲ級分類試驗的浪涌保護器，使設備得到充分的保護。

5 結語

雷電能量非常巨大，雷擊方式是復雜的，采用合理適當的防雷措施只能減少損失，只有更多新技術的突破和應用才能對雷電進行完全防護并加以利用。通過風力發(fā)電機系統設備的防雷研究，為進一步做好風力發(fā)電機系統的防雷以及對于制定風力發(fā)電機的雷電災害防御、應急預案，制作防雷設計方案等有指導和實際意義。

參考文獻：

[1]建筑物防雷設計規(guī)范GB50057-2010

[2]建筑物電子信息系統防雷技術規(guī)范GB50343-2012

[3]《微波站防雷與接地設計規(guī)范》YD2011-93