風(fēng)電機(jī)組的雷擊機(jī)理與防雷技術(shù)方案

風(fēng)電機(jī)組的雷擊機(jī)理與防雷技術(shù)方案1

引言

隨著人們對可再生能源利用價值認(rèn)識的提高，以及風(fēng)電機(jī)組制造、控制和其它相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電在近十幾年來的發(fā)展非常迅速，到2001年底全世界的風(fēng)電總裝機(jī)容量已超過24GW[1]。與此同時，風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量和風(fēng)電場的總裝機(jī)容量也不斷增長，因此風(fēng)電場的安全運(yùn)行問題也越來越受到人們的關(guān)注。影響風(fēng)電場安全運(yùn)行的因素很多，其中遭受雷擊是一個非常重要的方面。隨著單機(jī)容量的增大，風(fēng)電機(jī)組的塔筒越來越高，再加上大型風(fēng)電機(jī)組一般安裝于開闊地帶或山地，因此風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊的概率也較大。

以德國風(fēng)電場遭受雷擊的情況為例。德國風(fēng)電部門對近年來該國風(fēng)電機(jī)組的故障情況進(jìn)行了統(tǒng)計，其中1992~1999年間風(fēng)電機(jī)組雷擊事故情況如表1所示[2]。由表可見，多年以來德國風(fēng)電場每100風(fēng)機(jī)年的雷擊數(shù)基本維持在10%左右。另外，調(diào)查結(jié)果還表明，在所有引發(fā)風(fēng)電機(jī)組故障的因素中，外部因素（如風(fēng)暴、結(jié)冰、雷擊以及電網(wǎng)故障等）占16%以上，其中雷擊事故約占4%。由于雷電現(xiàn)象具有非常大的隨機(jī)性，因此不可能完全避免風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊，只能在風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計、制造和安裝過程中，采取防雷措施，使雷擊造成的損失減到最小。本文從雷電發(fā)生的機(jī)理和雷擊過程入手，對風(fēng)電機(jī)組的防雷技術(shù)進(jìn)行了闡述分析。

2

雷擊損壞機(jī)理

雷電現(xiàn)象是帶異性電荷的雷云間或是帶電荷雷云與大地間的放電現(xiàn)象。風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊的過程實(shí)際上就是帶電雷云與風(fēng)電機(jī)組間的放電。在所有雷擊放電形式中，雷云對大地的正極性放電或大地對雷云的負(fù)極性放電具有較大的電流和較高的能量[3,4]。雷擊保護(hù)最關(guān)注的是每一次雷擊放電的電流波形和雷電參數(shù)。雷電參數(shù)包括峰值電流、轉(zhuǎn)移電荷及電流陡度等。風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊損壞的機(jī)理與這些參數(shù)密切相關(guān)。

（1）峰值電流

當(dāng)雷電流流過被擊物時，會導(dǎo)致被擊物溫度的升高，風(fēng)電機(jī)組葉片的損壞在很多情況下與此熱效應(yīng)有關(guān)。熱效應(yīng)從根本上來說與雷擊放電所包含的能量有關(guān)，其中峰值電流起到很大的作用。當(dāng)雷電流流過被擊物時（如葉片中的導(dǎo)體）還可能產(chǎn)生很大的電磁力，電磁力的作用也有可能使其彎曲甚至斷裂。另外，雷電流通道中可能出現(xiàn)電弧。電弧產(chǎn)生的膨脹過壓與雷電流波形的積分有關(guān)，其燃弧過程中的強(qiáng)烈高溫將對被擊物產(chǎn)生極大的破壞。這也是導(dǎo)致許多風(fēng)電機(jī)葉片損壞的主要原因。

（2）轉(zhuǎn)移電荷

物體遭受雷擊時，大多數(shù)的電荷轉(zhuǎn)移都發(fā)生在持續(xù)時間較長而幅值相對較低的雷電流過程中。這些持續(xù)時間較長的電流將在被擊物表面產(chǎn)生局部金屬熔化和灼蝕斑點(diǎn)。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(xiàn)灼蝕斑點(diǎn)，如果雷電流足夠大還可能導(dǎo)致金屬熔化[5]。這是威脅風(fēng)電機(jī)組軸承安全的一個潛在因素，因?yàn)樵谳S承的接觸面上非常容易產(chǎn)生電弧，它就有可能將軸承熔焊在一起。即使不出現(xiàn)軸承熔焊現(xiàn)象，軸承中的灼蝕斑點(diǎn)也會加速其磨損，降低其使用壽命。

（3）電流陡度

風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊的過程中經(jīng)常發(fā)生控制系統(tǒng)或電子器件的損壞，其主要原因是感應(yīng)過電壓的存在。感應(yīng)過電壓與雷電流的陡度密切相關(guān)，雷電流陡度越大，感應(yīng)電壓就越高。

3風(fēng)電機(jī)組雷擊頻率和雷擊位置

為了實(shí)施有效的雷擊保護(hù)，需要事先對雷擊頻率和雷擊位置進(jìn)行預(yù)測，從而使雷擊保護(hù)更有針對性。通常用雷擊高層建筑的頻度估算方法來估計雷擊風(fēng)電機(jī)組的頻度[3]。對于高度低于60m的建筑物，其雷擊頻度為

式中

Ng為年平均落雷密度，表示在所考慮的建筑物所在區(qū)域內(nèi)每年每平方公里的雷擊次數(shù)；Ae為建筑物的等效面積，m2。

某建筑物的等效面積是指與該建筑物遭受直擊雷的頻率相同的地表面積，其等值半徑為建筑物高度的3倍。以一個50m高的建筑物為例，假定該建筑物位于一相對平整的地面上且遠(yuǎn)離其它建筑物，則其等效面積為

對于葉尖帶防雷保護(hù)的風(fēng)電機(jī)組，在計算Ae時其高度應(yīng)為最大葉尖位置與地面之間的距離。對于葉尖沒有保護(hù)的情況，其有效高度介于該值與機(jī)艙到地面距離之間的值。以上計算方法僅限于低于60m的風(fēng)電機(jī)組。對于高于60m的風(fēng)電機(jī)組，按式(2)計算得到的結(jié)果則偏低。

估計雷云對大地放電的可能雷擊點(diǎn)的位置，可以應(yīng)用“滾球法”的簡化方法。盡管雷擊放電具有很大的分散性，“滾球法”得到的結(jié)果可能與實(shí)際情況存在一定的誤差[6]，但該方法還是普遍應(yīng)用于接地建筑物的防雷設(shè)計。IEC標(biāo)準(zhǔn)給出了對應(yīng)于特定防護(hù)水平的滾球半徑的大小[7]。將此方法應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組，則可以推知葉片的大部分、輪轂、機(jī)艙的尾部以及部分塔筒均可能成為雷擊放電點(diǎn)[3]。

圖1給出了幾種典型的雷擊風(fēng)電機(jī)組時可能的放電位置示意圖。發(fā)生雷云對大地放電時，雷電很容易擊中葉尖，但也有可能擊中葉片的側(cè)面或葉片的絕緣部分甚至內(nèi)部導(dǎo)體。大地對雷云的放電是從頂端開始形成的，非常強(qiáng)烈地表現(xiàn)在葉尖和其它外部突出的點(diǎn)，如機(jī)艙上的避雷針、機(jī)艙前端和輪轂等部位。如果葉片具有葉尖防雷保護(hù)，則向上發(fā)展的雷擊放電也將集中在葉尖上。由此可見，風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊時，其雷擊點(diǎn)可能分布在機(jī)組的許多部位。

4

風(fēng)電機(jī)組的防雷

4.1

風(fēng)電機(jī)組機(jī)械部件的防雷

4.1.1

葉片防雷

風(fēng)電機(jī)組的葉片中，有的葉片并沒有設(shè)置內(nèi)部導(dǎo)電體或進(jìn)行表面金屬化處理，僅是純粹的玻璃增強(qiáng)塑料（GRP）結(jié)構(gòu)或GRP–木結(jié)構(gòu)。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，這種類型的葉片經(jīng)常遭受雷擊，并且通常是災(zāi)難性的[3]。為此，應(yīng)在物理結(jié)構(gòu)上采取防雷措施[8,9]，以減小葉片遭受雷擊時的損傷。

（1）無葉尖阻尼器的葉片防雷結(jié)構(gòu)（圖2）

對于無葉尖阻尼器的葉片，一般是在葉尖部分的玻璃纖維外表面預(yù)置金屬化物作為接閃器，并與埋置于葉片內(nèi)的銅導(dǎo)體相連（銅導(dǎo)體與葉根處的金屬法蘭連接）。外表面金屬化物可以采用網(wǎng)狀或箔狀結(jié)構(gòu)。雷擊可能會對這樣的表面造成局部熔化或灼蝕損傷，但不會影響葉片的強(qiáng)度或結(jié)構(gòu)。（2）有葉尖阻尼器的葉片防雷結(jié)構(gòu)（圖3）

對于有葉尖阻尼器的葉片，通常是在葉尖部分的玻璃纖維中預(yù)置金屬導(dǎo)體作為接閃器，通過由碳纖維材料制成的阻尼器軸與用于啟動葉尖阻尼器的鋼絲（啟動鋼絲與輪轂共地）相連接。這樣的結(jié)構(gòu)通過了200kA的沖擊電流實(shí)驗(yàn)，葉片沒有任何損傷[9]?？梢灶A(yù)見，這樣的葉片遭受雷擊的概率要比絕緣材料制成的葉片高，但只要滿足下列條件就不會造成很大損傷：①雷擊點(diǎn)處的電弧灼燒不產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞；②雷電流可以安全地通過導(dǎo)電構(gòu)件導(dǎo)入地下。這就要求導(dǎo)電構(gòu)件需要有足夠的強(qiáng)度和橫截面積。4.1.2

軸承保護(hù)

一般情況下，雷擊葉片時產(chǎn)生的大部分雷電流都將通過低速主軸承導(dǎo)入塔筒。這比雷電流沿著主軸流向風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)要好得多。通過軸承傳導(dǎo)的強(qiáng)大雷電流通常會在軸承接觸面上造成灼蝕斑點(diǎn)，但由于軸承的尺寸較大使得雷電流密度較小，所以雷擊損傷還不至于立刻對風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行造成影響，但能夠引起噪聲、振動和增大機(jī)械摩擦等，從而導(dǎo)致縮短軸承的使用壽命[3,5]。

有些軸承具有絕緣墊層，雷電流通過滑環(huán)導(dǎo)入塔筒[5]。這種措施可降低軸承所受損傷的程度，但要消除軸承的潛在問題還是非常困難的，主要原因是與軸承平行的滑環(huán)往往只能承載小部分雷電流，而大部分雷電流的流通還需軸承來完成。對偏航軸承也應(yīng)有類似措施。一般來說，偏航軸承的周邊為雷電流提供了一個良好的導(dǎo)電通道。如果出于設(shè)計的原因偏航軸承不能導(dǎo)電時，則必須為其建立雷電流通路[3]。

4.1.3

機(jī)艙防雷[3,5,7,8]

如果葉片采取了防雷保護(hù)措施，也就相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了對機(jī)艙的直擊雷防護(hù)。雖然如此，也需要在機(jī)艙尾部設(shè)立避雷針，并與機(jī)架緊密連接。如果葉片沒有防雷保護(hù)，則應(yīng)在機(jī)艙的首尾端同時裝設(shè)避雷針。對由非導(dǎo)電材料制成的機(jī)艙中的控制信號等敏感的線路部分都應(yīng)有效屏蔽，屏蔽層兩端都應(yīng)與設(shè)備外殼連接，而且還要避免形成環(huán)路。另外，在機(jī)艙表面應(yīng)布置金屬帶或金屬網(wǎng)，且與機(jī)架相連接，為工作人員提供安全保護(hù)和一定程度的電屏蔽。裝設(shè)這種帶狀保護(hù)和附加防護(hù)，以及位于機(jī)艙前部的避雷針等，在絕緣葉片的情況下是非常必要的。

如果機(jī)艙是金屬制成的，則將機(jī)艙與低速軸承和發(fā)電機(jī)機(jī)座相連接，就可以實(shí)現(xiàn)很好的安全保護(hù)和電屏蔽。提供電氣連接的導(dǎo)體應(yīng)盡量短。

4.2

風(fēng)電機(jī)組電氣部件的防雷

4.2.1

暫態(tài)過電壓及線路保護(hù)

對風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)造成破壞的暫態(tài)過電壓，可能是由直擊雷或非直擊雷引起的。發(fā)生在信號線、通訊線和電力線附近的雷擊過程，將在這些線路上產(chǎn)生暫態(tài)過電壓，其幅值可能達(dá)到幾十千伏。如果一臺風(fēng)電機(jī)組遭到雷擊，傳輸?shù)搅硪慌_風(fēng)電機(jī)組的暫態(tài)過電壓的大小與該風(fēng)電機(jī)組的接地狀況有關(guān)，即使采取了良好的改善措施，其暫態(tài)過電壓還有可能達(dá)到這一數(shù)量級[10]，因此建議布置在塔間的信號線采用光纖并連接到實(shí)際的控制中心[3]。

通信線在進(jìn)入建筑物處應(yīng)設(shè)置氣體放電管加以保護(hù)，并通過一低阻抗接地線接地。沿電力線注入的暫態(tài)過電壓會對線路造成破壞，因此需要使用電涌保護(hù)器加以保護(hù)。

4.2.2

雷電流的直接注入及其防治

雷電擊中電氣元件即雷電流直接注入線路的情況是一種非常嚴(yán)重的雷擊現(xiàn)象，將會產(chǎn)生相當(dāng)大的破壞作用。因此要避免雷電直接擊中系統(tǒng)中的傳感器件和接線。實(shí)現(xiàn)這種保護(hù)是比較容易的，用合適的布線方式以及避雷針等均可起到一定的保護(hù)作用，像氣象儀之類的器件應(yīng)該用避雷針保護(hù)。實(shí)際上，風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙尾部的避雷針就兼作風(fēng)速、風(fēng)向儀的支撐桿，這樣的布置方式對風(fēng)速、風(fēng)向儀的保護(hù)是比較有效的。這些儀器的信號線路應(yīng)該沿著金屬構(gòu)件布置并且加以屏蔽。

4.2.3

磁力線耦合及抑制

雷擊過程將產(chǎn)生快速變化的磁場，在位于機(jī)艙內(nèi)或沿著塔筒的線路中將產(chǎn)生數(shù)值較高的過電壓，其值可達(dá)幾十伏甚至幾千伏[3]。這樣的過電壓會損傷電氣設(shè)備和發(fā)電機(jī)。這些損傷可能是潛在性的，但在未來的運(yùn)行過程中可能會引發(fā)大的故障。減少感應(yīng)電壓的一般方法有：

（1）使信號線路或控制線路盡可能短，并盡可能靠近承載電流的構(gòu)件；

（2）通過設(shè)置多個平行的電流通路使各通路的電流水平達(dá)到最小，并盡可能將線路靠近電流密度較小的導(dǎo)體。

（3）敏感的線路應(yīng)布置在兩端固定的線槽中，如發(fā)電機(jī)和齒輪箱等部件的線路都應(yīng)這樣處理。

總之，要達(dá)到最大的防護(hù)效果，線路就應(yīng)該盡可能靠近金屬構(gòu)件布置。由于雷電流具有趨膚效應(yīng)，所以金屬塔筒對其中的線路具有非常好的屏蔽效果。

在導(dǎo)線屏蔽且屏蔽層兩端與金屬構(gòu)件固定安裝的情況下，屏蔽層內(nèi)部的導(dǎo)線所面對的是一個減小了的電壓。對電纜采取這種方法屏蔽，其最大感應(yīng)電壓可以大為降低。

4.2.4

電氣設(shè)備的防雷保護(hù)

一般情況下，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端輸入、輸出功能的器件都需要進(jìn)行過電壓保護(hù)，且防護(hù)等級與裝置的位置有關(guān)。在風(fēng)電機(jī)組中，可能產(chǎn)生感應(yīng)過電壓的區(qū)域是：①機(jī)艙內(nèi)部和穿過偏航軸承的地方；②連接到控制室和配電室的電纜中。位于這些區(qū)域任何一端的電氣控制設(shè)備，都要裝設(shè)電涌保護(hù)器件。對于風(fēng)電機(jī)組控制器中的各電壓等級的電源變壓器、通信線路，通?？刹捎媒饘傺趸飰好綦娮枰苑乐惯^電壓；而風(fēng)電機(jī)控制器中的24V直流電源、I/O模塊，則采用瞬變電壓抑制元件以防止過電壓[8,9]。

發(fā)電機(jī)以及其它設(shè)備上的傳感器通常是與其外包裝電氣隔離的，只要感應(yīng)電壓不足以破壞其絕緣性能，就沒有必要裝設(shè)避雷器。風(fēng)電場中使用的電力電纜與變壓器相連，而變壓器的工作電壓相對較高，因此這部分的保護(hù)要容易實(shí)現(xiàn)一些。在此處安裝的保護(hù)器件不必在太低的電壓下工作，而應(yīng)能在遠(yuǎn)低于發(fā)電機(jī)和變壓器絕緣損壞電壓時動作。此外，只要鎧裝兩端都接地，電纜鎧裝就起到對電纜的屏蔽作用[3]。

4.3

風(fēng)電機(jī)組的接地

良好的接地是保證雷擊過程中風(fēng)電機(jī)組安全的必備條件。由于風(fēng)電場通常會布置在山地且范圍非常大，而山地的土壤電阻率一般較高，因此按照一般電氣設(shè)備的接地方式設(shè)計風(fēng)電機(jī)組的接地系統(tǒng)顯然不能滿足其安全要求。風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)周圍事先都要布置一小型的接地網(wǎng)，它由1個金屬圓環(huán)和若干垂直接地棒組成，但這樣的接地網(wǎng)很難滿足接地電阻須小于1~2W的要求[9,11]。通常的改善措施是將風(fēng)電場內(nèi)所有的機(jī)組接地網(wǎng)都連接起來，以降低整個風(fēng)電場的接地電阻。由于風(fēng)電場機(jī)組間都布置有電力電纜和通信電纜，因此機(jī)組接地網(wǎng)的連接實(shí)際上可以通過這些電纜的屏蔽層來實(shí)現(xiàn)[11]。另外，還可在機(jī)組接地網(wǎng)間敷設(shè)金屬導(dǎo)體，當(dāng)遭受雷擊時可顯著降低風(fēng)電場的地電位升高[10]，也可減輕雷擊對電纜絕緣及變壓器高低壓繞組間絕緣的危害程度。

5

結(jié)束語

雷擊是影響風(fēng)電機(jī)組乃至整個風(fēng)電場安全運(yùn)行