姚敬海 趙煜 張恩壽 李永進

摘 要：高原地區(qū)雷擊頻繁，應用于高原地區(qū)的風機因雷擊造成巨大損失，風機偏航系統(tǒng)就是經常遭到雷擊的部件。為保證風機偏航系統(tǒng)安全運行，從高原地區(qū)雷電特性、風機偏航遭雷擊過程分析、沖擊波沖擊風機試驗三方面討論高原地區(qū)電機偏航系統(tǒng)防雷問題，得到風機偏航系統(tǒng)遭受雷電沖擊時造成損壞是因雷電流過大，偏航系統(tǒng)發(fā)熱嚴重，感應電流過大的原因。提出了通過保證雷電流泄放路徑的暢通，減小接地電阻，增設避雷帶，在風葉與偏航系統(tǒng)之間增加絕緣層減小雷電對偏航系統(tǒng)的損害。

關鍵詞：防雷 偏航系統(tǒng) 高原地區(qū)

中圖分類號：TM31 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）03（c）-0040-02

Abstract： There are frequent lightning strikes in the plateau area， and the fan caused by lightning strikes in the plateau area is a huge loss. The fan yaw system is the part that is frequently struck by lightning. Yaw system safe operation in order to ensure the fan， the fan yaw from lightning lightning characteristics in plateau area， process analysis， shock waves hit the fan test three aspects to discuss plateau motor yaw system lightning protection， lightning hit fan yaw system is obtained when the damage is caused by lightning through the large， yaw system fever is serious， the reason of the induced current is too large. By means of ensuring the unimpeded path of the lightning discharge path， the grounding resistance is reduced and the lightning protection belt is added， and the damage of the lightning to the yaw system is decreased between the wind and the yaw system.

Key Words： Lightning protection； Yaw system； Plateau area

風電是新興的清潔能源，也是可再生能源，礦產資源使用日益緊張，開發(fā)新能源勢在必行。風電的開發(fā)利用已經取得了很大的進展，目前通過風力發(fā)電機將風能轉化為機械能，再將機械能轉化為電能，且風能與電能的轉化效率已達到40%，每年的電能產量達幾千億千瓦時，為國家經濟、生產生活的發(fā)展做出了重大貢獻。但是仍然面臨著很多問題，其中雷擊問題對風機已經造成了很大的損失，也逐步引起了風電企業(yè)的重視，風電行業(yè)也亦將防雷問題視為檢驗風機安全可靠性能的重要指標[1]。風機的防雷設計影響著風機遭到雷擊的概率，以及風機遭到雷擊后，風機各部件的毀壞程度。風機單機容量越來越大，高度越來越高，在高海拔地區(qū)運用越來越廣，遭雷擊的風險也越來越大。關于風機遭受雷擊的機理研究和風機的防雷措施，很多專家做出了大量研究，其中包括風機的高度與風機的引雷能力、風葉的形狀與風機的引雷能力、風機的構造材料與風機的抗雷擊能力等[2]。偏航系統(tǒng)是風機的重要組成部分，當風速矢量的方向變化時，風向標作為感應元件將風向的變化用電信號傳遞到偏航電機的控制回路的處理器里，經過比較后處理器給偏航電機發(fā)出順時針或逆時針的偏航命令；為了減少偏航時的陀螺力矩，電機轉速將通過同軸聯接的減速器減速后，將偏航力矩作用在回轉體大齒輪上，帶動風輪偏航對風；當對風完成后，風向標失去電信號，電機停止工作，偏航過程結束，以便使風輪獲得最大的風能。大中型風力機一般采用電動的偏航系統(tǒng)來調整風輪并使其對準風向。偏航系統(tǒng)一般包括感應風向的風向標、傳感器、偏航系統(tǒng)控制處理器、偏航電機、偏航行星齒輪減速器、偏航制動器（偏航阻尼或偏航卡鉗）、回轉體大齒輪等[3]。

1 高原地區(qū)雷電特性

1.1 雷擊頻率大

高海拔地區(qū)雷暴天氣頻繁，風機遭受雷電沖擊的概率大，風機防雷問題對電機的維護、電能的持續(xù)供應意義重大[4]。

1.2 雷電能量大

高海拔地區(qū)雖然雷電流比低海拔地區(qū)小一些，但是雷電能量還是非常大，在沒有良好的防雷設計情況下，風機組的偏航系統(tǒng)不能承受直擊雷，偏航系統(tǒng)一旦被擊中，損壞是毀滅性的。風機偏航系統(tǒng)內部安裝了控制偏航系統(tǒng)電機運行狀態(tài)的處理器、檢測周圍環(huán)境的檢測裝置、通信傳導設備等敏感的電氣元件。雷電發(fā)生時，會產生高速變化的電磁場，會在這些電氣元件電路內感應出高強度的浪涌電流，對其造成破壞或者降低其壽命，甚至造成不能動作或者錯誤動作，增加不必要的損壞[4]。

1.3 接地電阻大

高原地區(qū)比較寒冷、凍土層厚、土壤電阻率高，防雷接地電阻很難滿足要求[5，6]。

2 防雷技術研究

2.1 風機偏航結構遭雷擊過程分析

直擊雷擊中風機時，首先受到損壞的是風葉，其次風機的風葉與偏航系統(tǒng)連接在一起，風機的偏航系統(tǒng)也會有損壞。雷電流釋放巨大能量，雷電流過偏航系統(tǒng)時，使偏航系統(tǒng)溫度急劇升高，分解氣體高溫膨脹，內壓力上升，造成風機偏航系統(tǒng)的爆裂破壞。由于過強雷電流在接閃路徑中形成高電位和高能量，致使金屬引線與偏航系統(tǒng)之間產生電位差而產生電弧，強雷電產生的高熱量致使偏航系統(tǒng)內部銅纜及鋼絲繩熔斷[3]。雷擊造成風機損壞還與雷電流強度有關，如果雷電流足夠大，可能導致金屬熔化，在雷電流路徑上一旦形成電弧就會在發(fā)生電弧的地方出現灼蝕斑點，會降低相關部件的使用壽命，甚至直接損毀[4]。雷電對偏航系統(tǒng)造成損壞的還有感應過電壓，它與雷電流的陡度密切相關，雷電流陡度越大，感應電壓就越高。感應過電壓沿線路進入偏航系統(tǒng)，會損壞偏航系統(tǒng)的控制器等電子元件[5]。因此，要消除機組因雷擊事故造成的危害，就要保證雷電流泄放路徑的暢通，尤其是接地裝置要能夠及時地將雷電流泄放入地。

2.2 沖擊波沖擊風機試驗

為研究偏航系統(tǒng)抗雷擊能力的影響機理，設計了1∶30風機微縮模型，將其放置于高海拔實驗室內，利用波形參數為250/2 500μs的負極性操作沖擊波開展了風機放電試驗（用沖擊波沖擊風機葉片）。試驗采用升降法獲取了各工況條件下的50%放電電壓，并進行了放電過程觀測。試驗結果表明：在2000～4000m海拔環(huán)境中，隨著海拔升高，空氣密度降低，環(huán)境溫度降低，偏航系統(tǒng)的溫度增大量成“V”變化，最小增大量為6482℃；在4000～5000m海拔環(huán)境中，隨著海拔升高，空氣密度降低，環(huán)境溫度降低，偏航系統(tǒng)的溫度增大量升高，最大增大量9567℃。沖擊電壓越高，偏航系統(tǒng)溫度越高。在相同的沖擊電壓下，偏航系統(tǒng)溫度的變化與偏航系統(tǒng)內置的導電材料的導電性能相關，內置導電材料的比沒有內置導電材料的溫度增加量小，內置材料導電性能好的比內置材料導電性能差的溫度增加量小，偏航系統(tǒng)材質導電性能好的比導電性能差的溫度增加量小。分析得到工作環(huán)境、內部增設導電材料與否、偏航系統(tǒng)材質的導電性能的效果影響著偏航系統(tǒng)的電荷分布與溫度變化。試驗結果為風電機組的偏航系統(tǒng)的設計提供了參考借鑒。

為減少偏航系統(tǒng)被雷電，特對偏航進行特殊設計。

（1）根據雷擊次數的統(tǒng)計，將風電場建在雷擊頻率小的地區(qū)。

（2）在偏航系統(tǒng)內部增加導電性能良好的導線，在偏航系統(tǒng)表面粘貼金屬箔，形成分段式避雷帶；再通過風機自身防雷系統(tǒng)將電流引導至大地，約束雷電，保護偏航系統(tǒng)。

（3）在風葉與偏航系統(tǒng)之間增加絕緣層，減小沖擊電壓，改善偏航系統(tǒng)的抗雷擊能力。

3 結語

高原地區(qū)雷電能量巨大，雷擊方式復雜，雷擊頻繁，風機高度較高，遭受雷擊的概率較大。從高原地區(qū)雷電特性、風機偏航遭雷擊過程分析、沖擊波沖擊風機試驗三方面討論高原地區(qū)電機偏航系統(tǒng)防雷問題。為預防風機偏航系統(tǒng)被擊毀，提出了保證雷電流泄放路徑的暢通、在偏航系統(tǒng)內部增加導電性能良好的導線、在偏航系統(tǒng)表面粘貼金屬箔從而形成分段式避雷帶、在風葉與偏航系統(tǒng)之間增加絕緣層以減小沖擊電壓等防雷措施。

參考文獻

[1] 魏偉，許勝輝.風力發(fā)電及相關技術綜述[J].微電機， 2009，42（4）：66-68.

[2] 林志遠，黃聰.風力發(fā)電機組的防雷問題[J].廣東電力， 2001，14（5）：15-18.

[3] IEC 61643-1，接至低壓配電系統(tǒng)的浪涌保護器[S].

[4] 林志遠.風力發(fā)電機組的防雷問題[J].廣東電力，2001， 14（5）：15-18.

[5] 楊文斌.風電機組過電壓保護與防雷接地設計[J].高電 壓技術，2008（10）：2081-2085.

[6] 周志敏，周紀海.電子信息系統(tǒng)防雷接地技術[M].北 京：人民郵電出版社，2004：27-32.