文 | 肖進(jìn)，梁瑞利，袁樂，曹國榮，歐陽華

兆瓦級風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中會由于各種原因引發(fā)故障，其中雷擊就是造成風(fēng)電機(jī)組故障及損毀的一個(gè)重要原因。正因?yàn)槿绱?，風(fēng)電機(jī)組防雷系統(tǒng)顯得尤為重要。但是風(fēng)電機(jī)組防雷系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，包括風(fēng)輪防雷系統(tǒng)，機(jī)艙防雷系統(tǒng)，塔筒和地基防雷系統(tǒng)。其中風(fēng)輪處于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的最高點(diǎn)，最易遭受雷擊而造成風(fēng)電機(jī)組中電氣元件和結(jié)構(gòu)件發(fā)生故障及損毀。所以對于風(fēng)輪防雷系統(tǒng)的研究尤其重要。本文通過對兩種風(fēng)輪防雷系統(tǒng)方案進(jìn)行原理分析和實(shí)驗(yàn)效果比較，以找出最佳的風(fēng)輪防雷系統(tǒng)方案。

風(fēng)輪防雷系統(tǒng)的特點(diǎn)

風(fēng)輪防雷系統(tǒng)不同于機(jī)艙防雷系統(tǒng)和塔筒防雷系統(tǒng)，它具有一定的特殊性，具體表現(xiàn)在以下方面：

風(fēng)電機(jī)組安裝完成后，葉片尖部離地最高點(diǎn)可達(dá)100m－160m，正是由于葉片處于風(fēng)電機(jī)組中的最高位置，使得其成為風(fēng)電機(jī)組中最易遭受雷擊的零部件。同時(shí)葉片也是風(fēng)電機(jī)組中價(jià)值較高的零部件之一，一旦損壞，其修復(fù)和更換的費(fèi)用比較昂貴。所以如何將葉片中的雷電流可靠、快速地通過風(fēng)輪防雷系統(tǒng)導(dǎo)入機(jī)艙防雷系統(tǒng)非常重要。

風(fēng)輪的運(yùn)行情況比較復(fù)雜。相對于風(fēng)電機(jī)組塔筒的固定，機(jī)艙繞塔筒中心的水平轉(zhuǎn)動，風(fēng)輪既有葉片繞葉根中心的轉(zhuǎn)動，也有整個(gè)風(fēng)輪和風(fēng)電機(jī)組主軸繞主軸中心的轉(zhuǎn)動。這種運(yùn)行情況使得風(fēng)輪防雷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得比較復(fù)雜。

風(fēng)輪葉片中防雷元器件設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組葉片中防雷元器件的設(shè)計(jì)已經(jīng)相當(dāng)成熟，大部分風(fēng)電機(jī)組廠家都是以接閃器和連接接閃器的引雷導(dǎo)線為主。只是接閃器的形式及布置，引雷導(dǎo)線末端連接的電流輸出部件略有差異。圖 1是某風(fēng)電機(jī)組廠家葉片防雷元器件布置圖。其中葉片吸力邊和壓力邊在葉片長度范圍內(nèi)各布置了三組接閃器，接閃器在葉片長度范圍內(nèi)的布置設(shè)計(jì)應(yīng)遵循GL規(guī)范要求。

三組接閃器通過從葉尖過來的引雷導(dǎo)線連接在一起，引雷導(dǎo)線的末端連接雷電流輸出部件?，F(xiàn)國內(nèi)風(fēng)電機(jī)組廠家電流輸出部件主要是葉根法蘭和葉根中心金屬件，如圖 2。引雷導(dǎo)線末端具體連接哪種電流輸出部件需根據(jù)風(fēng)輪防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要進(jìn)行選擇。

風(fēng)輪防雷系統(tǒng)方案研究

現(xiàn)行風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪大體由葉片，變槳軸承，輪轂等部件構(gòu)成（其余與防雷無關(guān)的零部件圖中均未體現(xiàn)），其中葉片安裝在變槳軸承內(nèi)圈，變槳軸承外圈安裝在輪轂上，輪轂直接固定在主軸上，見圖 3。

根據(jù)以上風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)，可以為風(fēng)輪防雷系統(tǒng)設(shè)想兩種雷電流傳導(dǎo)入機(jī)艙防雷系統(tǒng)的通路：

圖1 某風(fēng)電機(jī)組廠家葉片防雷元器件布置圖

圖2 引雷導(dǎo)線連接電流輸出部件

電流流經(jīng)葉片—變槳軸承—輪轂—主軸進(jìn)入機(jī)艙防雷系統(tǒng)；

電流流經(jīng)葉片—輪轂—主軸進(jìn)入機(jī)艙防雷系統(tǒng)。

針對以上兩種雷電流傳導(dǎo)路徑，可以設(shè)計(jì)出兩種風(fēng)輪防雷系統(tǒng)方案—防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)和直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)，下面詳細(xì)介紹兩種風(fēng)輪防雷系統(tǒng)方案并通過實(shí)驗(yàn)比較兩種方案的優(yōu)劣性。

一、 風(fēng)輪防雷系統(tǒng)方案——防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)

現(xiàn)行風(fēng)電機(jī)組在很長一段時(shí)間里一直以上述第一種電流通路為雷電流主要傳導(dǎo)路徑來設(shè)計(jì)風(fēng)輪防雷系統(tǒng)。防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)就是典型的以這種電流路徑傳導(dǎo)雷電流的風(fēng)輪防雷系統(tǒng)。直到現(xiàn)在，防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)在風(fēng)輪防雷系統(tǒng)中還是占據(jù)主流。下面將詳細(xì)介紹防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)形式見圖 4。

防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)包括葉片、裝在葉片和變槳軸承內(nèi)圈之間的葉根法蘭、變槳軸承、安裝在變槳軸承外圈上的防雷爪（防雷爪具體結(jié)構(gòu)見圖 5）、輪轂等零部件。其中葉片中引雷導(dǎo)線的末端連接的是第三部分中介紹過的葉根法蘭。

防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)原理為：當(dāng)葉片遭受雷擊時(shí)，葉片上接閃器會瞬間將巨大的雷電流通過引雷導(dǎo)線傳導(dǎo)到與之相連的葉根法蘭。這時(shí)雷電流會通過兩條通路進(jìn)行傳導(dǎo)。

圖3 風(fēng)輪裝配圖

圖4 防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)

圖5 防雷爪

一部分雷電流通過防雷爪上的防雷刷與葉根法蘭之間的空氣放電作用，從葉根法蘭通過防雷爪傳導(dǎo)到變槳軸承外圈，再通過變槳軸承外圈及連接件將電流傳導(dǎo)給輪轂，最終通過輪轂將電流傳導(dǎo)給主軸和機(jī)艙防雷系統(tǒng)，具體雷電流傳導(dǎo)路徑如圖 4中的A—C—D—E—F；

還有一部分電流通過跟葉根法蘭相連的變槳軸承內(nèi)圈，經(jīng)過軸承滾珠傳導(dǎo)到變槳軸承外圈，再通過變槳軸承外圈及連接件將電流傳導(dǎo)給輪轂，最終通過輪轂將電流傳導(dǎo)給主軸和機(jī)艙防雷系統(tǒng)，具體雷電流傳導(dǎo)路徑如圖 4中的A—B—D—E—F。

該方案優(yōu)點(diǎn)如下：

因?yàn)檠b在變槳軸承外圈上的防雷爪和裝在變槳軸承內(nèi)圈上的葉根法蘭之間存在繞葉片中心的相對旋轉(zhuǎn)，而防雷爪裝配完成后與葉根法蘭之間存在一定的放電間隙，這個(gè)放電間隙可以保證葉片在旋轉(zhuǎn)變槳過程中，防雷爪不至于和旋轉(zhuǎn)的葉根法蘭之間發(fā)生機(jī)械干涉；

防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)整個(gè)結(jié)構(gòu)裝配簡單，沒有復(fù)雜的零部件。

但是該方案卻存在以下缺點(diǎn)：

防雷爪上防雷刷與葉根法蘭之間的間隙必須保證在一個(gè)合適的范圍，這樣才能保證可靠的空氣放電。但是由于防雷爪上防雷刷和葉根法蘭經(jīng)過多次放電，兩者間的間隙會慢慢變大，所以防雷刷每隔一段時(shí)間需要調(diào)整和更換。倘若沒有及時(shí)調(diào)整和更換防雷刷，雷電流將全部通過變槳軸承內(nèi)圈和滾珠傳導(dǎo)給輪轂，這樣極易燒壞變槳軸承的滾珠。

同時(shí)根據(jù)GL規(guī)范規(guī)定：強(qiáng)烈推薦雷電流保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成所有的雷電流從軸承旁路通過。但是該方案雷電流有一部分通過了軸承的滾珠，這部分雷電流時(shí)間一長容易造成軸承滾珠的破壞。

二、 風(fēng)輪防雷系統(tǒng)方案——直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)

根據(jù)上述第二種雷電流傳導(dǎo)路徑及GL規(guī)范，可以設(shè)計(jì)出直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)。該方案在現(xiàn)行風(fēng)電機(jī)組開發(fā)階段還屬于實(shí)驗(yàn)方案，沒有得到普遍應(yīng)用。下面將詳細(xì)介紹直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)形式見圖 6。

直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)由葉片、中間機(jī)械連接裝置、輪轂組成。其中葉片中引雷導(dǎo)線的末端連接的是第三部分中介紹過的葉根中心金屬件。

其中圖 7是一種中間機(jī)械連接裝置，其中葉片引雷導(dǎo)線和葉片端過渡板一起安裝在位于葉片根部中心位置的葉根中心金屬件上，而輪轂端過渡板則固定在位于輪轂中心位置的輪轂端轉(zhuǎn)接板上，葉片端過渡板和輪轂端過渡板之間有一定的距離，且在葉片端過渡板和輪轂端過渡板之間安裝有一根引雷導(dǎo)線。

表1 不同風(fēng)輪防雷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)原理為：當(dāng)葉片遭受雷擊時(shí)，葉片上接閃器會瞬間將巨大的雷電流通過葉片引雷導(dǎo)線傳導(dǎo)到與之相連的葉片端過渡板，葉片端過渡板通過引雷導(dǎo)線將雷電流傳導(dǎo)到固定在輪轂端轉(zhuǎn)接板上的輪轂端過渡板，最終雷電流通過輪轂端轉(zhuǎn)接板傳導(dǎo)到輪轂。

該方案優(yōu)點(diǎn)如下：

因?yàn)槿~片端過渡板和輪轂端過渡板之間存在一定的間隙，且兩者都安裝在葉根中心位置。在兩者之間還安裝了可以承受旋轉(zhuǎn)載荷的軟引雷導(dǎo)線，所以在葉片繞葉根中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變槳時(shí)，該引雷導(dǎo)線不會斷裂；

直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)雷電流引導(dǎo)路徑?jīng)]有經(jīng)過變槳軸承，這不僅符合GL設(shè)計(jì)規(guī)范而且可以可靠保護(hù)變槳軸承，防止價(jià)值較高的變槳軸承遭雷電流襲擊而破壞；

直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)安裝沒有空氣放電間隙要求，不需要進(jìn)行后期地調(diào)整和維護(hù)。

三、 兩種風(fēng)輪防雷系統(tǒng)方案實(shí)驗(yàn)對比

為了驗(yàn)證防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)和直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)方案效果，我們將兩種方案都進(jìn)行了裝機(jī)并安裝在同一風(fēng)電場進(jìn)行實(shí)際效果檢驗(yàn)。該風(fēng)電場屬于多雷地區(qū)，一年有三分之一時(shí)間都有雷電襲擊。經(jīng)過三年的實(shí)驗(yàn)，我們得到的數(shù)據(jù)如表 1（表中只列出了被雷電流損壞的電氣元件和機(jī)械部件）。

結(jié)語

根據(jù)以上對防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)和直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)的原理分析和實(shí)際裝機(jī)實(shí)驗(yàn)效果對比，可以得出以下結(jié)論：

現(xiàn)場裝配方面：由于直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)不需要調(diào)整空氣放電間隙，故安裝精度要求方面低于防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)；

對風(fēng)輪內(nèi)部零部件地保護(hù)：從表 1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)對風(fēng)輪內(nèi)部零部件地保護(hù)作用優(yōu)于防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)；

圖6 直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)

圖7 一種中間機(jī)械連接裝置

后期維護(hù)方面：由于直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)不需要調(diào)整空氣放電間隙，所以后期不像防雷爪式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)一樣需對放電間隙進(jìn)行維護(hù)，極大地減小了風(fēng)電機(jī)組后期的檢查和維護(hù)工作量。

綜上，直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)是一種表現(xiàn)優(yōu)異的風(fēng)輪防雷系統(tǒng)。雖然現(xiàn)階段還未得到廣泛應(yīng)用，但是相信在不久后的將來，直連式風(fēng)輪防雷系統(tǒng)將很可能成為風(fēng)輪防雷系統(tǒng)的主流方案。