摘 要：隨著我國(guó)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的迅猛發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到MW等級(jí)的水平，因而風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的安全性逐漸受到社會(huì)的重視。如今，隨著對(duì)電能的需求越來(lái)越大，使得風(fēng)電機(jī)組的容量也在不斷的加大，因此就需要直徑更大的風(fēng)輪并且提高離地距離，再加上風(fēng)電機(jī)組往往安裝在氣候條件惡劣的山頂或是開(kāi)闊地帶，從而增加了風(fēng)電機(jī)組遭受雷電襲擊的幾率。本文就對(duì)風(fēng)電機(jī)組的防雷問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析、探究。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)電機(jī)組；雷電；防雷

一、雷電的形成

雷電在形成的過(guò)程里，空中的冰晶、塵埃等物質(zhì)在大氣運(yùn)動(dòng)中，發(fā)生劇烈的摩擦生電及云塊切割磁力線。正電荷積聚在云層的某些部分中，而云層還有一部分會(huì)積聚負(fù)電荷，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，當(dāng)強(qiáng)大的電場(chǎng)將異性帶電中心之間的空氣擊穿時(shí)，既而形成放電。

二、雷電破壞機(jī)理

以下為歐洲的幾個(gè)國(guó)家所提供的風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)，其中囊獲了四千臺(tái)以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)。列表1，是瑞典、丹麥和德國(guó)三國(guó)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)事故的匯總表。風(fēng)力發(fā)電機(jī)因遭受雷擊所導(dǎo)致?lián)p壞的數(shù)量，每一百臺(tái)里平均每年3.9-8次。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上來(lái)看，在北歐的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，每一百臺(tái)里每年有四臺(tái)至八臺(tái)，因遭受雷擊而導(dǎo)致?lián)p壞。

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各個(gè)不同部件其遭受雷擊的損壞情況進(jìn)行研究、分析，可為風(fēng)電機(jī)組的防雷保護(hù)工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過(guò)分析、探討風(fēng)機(jī)中幾種不同的部件遭受雷擊損壞的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)雖然損害的部件不同，但控制系統(tǒng)的部件遭雷擊損壞占40%到50%。

三、風(fēng)電機(jī)組接地

接地的作用在于保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)作，并防止人身觸電傷亡。接地還可以保護(hù)變配電設(shè)備、輸電線路及用電設(shè)備絕緣免遭損壞，防止靜電放電的危害、電擊損壞設(shè)備，預(yù)防火災(zāi)等。接地的作用主要是體現(xiàn)在是通過(guò)接地極的方式，將雷電電流或故障電流快速、自如的導(dǎo)入大地土壤中，從而保護(hù)電器設(shè)備及人身安全。而大地并非最為理想的導(dǎo)體，其帶有一定電阻率。由此，當(dāng)外界對(duì)大地強(qiáng)制施加某一電流時(shí)，大地?zé)o法保持等電位，導(dǎo)入大地的電流流經(jīng)接地體、接地線并注入大地土壤中后，以電流場(chǎng)的形式擴(kuò)散。

四、風(fēng)電機(jī)組的防雷保護(hù)

防雷保護(hù)區(qū)，作為一項(xiàng)保護(hù)措施，其應(yīng)在防雷保護(hù)區(qū)的邊界處，將輻射性干擾和傳導(dǎo)性干擾，降低、控制到可承受的范圍內(nèi)，由此將受保護(hù)構(gòu)筑物的不同部件，劃分成不同的防雷保護(hù)區(qū)，其具體的劃分結(jié)果與風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)有關(guān)，同時(shí)還需考慮此結(jié)構(gòu)建筑材料及形式。通過(guò)電涌保護(hù)器的安裝以及屏蔽裝置的布設(shè)，保證風(fēng)電機(jī)組內(nèi)的電子及電氣設(shè)備不受干擾并正常運(yùn)作。

綜合防雷系統(tǒng)：其可分為外部與內(nèi)部?jī)煞N防雷保護(hù)系統(tǒng)。

a.內(nèi)部防雷保護(hù)系統(tǒng)：防雷擊等電涌保護(hù)、電位連接、屏蔽措施。

b.外部防雷保護(hù)系統(tǒng)：引下線、接閃器、接地系統(tǒng)。

（一）機(jī)械部件防雷

1.接閃器

風(fēng)力發(fā)電機(jī)遭受雷擊時(shí)，其落雷點(diǎn)多數(shù)在風(fēng)機(jī)的槳葉上。因此，應(yīng)預(yù)先在槳葉的預(yù)計(jì)雷擊點(diǎn)上布設(shè)接閃器，以此接閃電流。針對(duì)設(shè)置在機(jī)艙頂部的風(fēng)速計(jì)等設(shè)施的防雷保護(hù)，應(yīng)采用避雷針的方式，將其安裝在機(jī)艙的頂部，從而避免這些設(shè)施遭受直接雷擊。

2.引下線

對(duì)于金屬塔，可直接將其塔架作為引下線來(lái)使用；然而對(duì)于混凝土制塔身，應(yīng)選用內(nèi)置引下線（鍍鋅扁鋼30×3.5mm，或者鍍鋅圓鋼φ8～10mm）。

3.葉片防雷：對(duì)于無(wú)葉尖阻尼器結(jié)構(gòu)的葉片，應(yīng)在葉尖的玻璃纖維外表面上，預(yù)制金屬化合物作為接閃器，并與葉片內(nèi)部的銅導(dǎo)體相連接。此種針對(duì)葉片的防雷系統(tǒng)通過(guò)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示當(dāng)電流達(dá)到200kA時(shí)，葉片無(wú)損害。

4.軸承防雷：軸承屬于金屬材質(zhì)，有良好的導(dǎo)電效果。當(dāng)雷擊葉片時(shí)，大部分雷電流通過(guò)主軸承流入塔筒。而對(duì)于帶有絕緣層的軸承，電流通過(guò)滑環(huán)流入塔筒，但滑環(huán)無(wú)法解決軸承的潛在問(wèn)題，其只能承載小量電流。

5.風(fēng)況傳感器防雷：應(yīng)根據(jù)傳感器高度設(shè)置避雷針，其分別用16mm2的銅芯電纜連接到各個(gè)電位母線上。

6.機(jī)艙與部件防雷：機(jī)艙罩有很好的防雷效果，但還需在機(jī)艙罩后部設(shè)一個(gè)高于風(fēng)向儀和風(fēng)速的避雷針。

（二）電氣部件防雷

1.等電位連接：風(fēng)標(biāo)和風(fēng)速計(jì)同避雷針一起接地等電位，發(fā)電機(jī)、主軸承、齒輪箱等機(jī)艙組件，需以合適的尺寸接地帶連接到機(jī)艙主框作為等電位。

2.隔離：機(jī)艙內(nèi)的地面控制器與處理器通信，應(yīng)使用光線電纜連接。引用壓敏電阻保護(hù)元件與系統(tǒng)的屏蔽體系相連，從而可以將暫態(tài)過(guò)電壓波隔離。對(duì)于雷區(qū)內(nèi)的傳感器采樣信號(hào)，可使用隔離保護(hù)線圈，通過(guò)RS422、RS232、RS485遠(yuǎn)程通信到監(jiān)控室的數(shù)據(jù)傳輸線，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的隔離。

3.浪涌保護(hù)器：穿過(guò)偏航軸承的地方和機(jī)艙的內(nèi)部，很容易產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓，需要安裝防雷保護(hù)器。

4.接地系統(tǒng)：風(fēng)機(jī)的接地系統(tǒng)，有若干個(gè)接地棒與一個(gè)金屬圓環(huán)組成。金屬圓環(huán)，需圍繞風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)置，使用50平方毫米以上的銅導(dǎo)體，在距離風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)一米，埋置一米深。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，接地電阻應(yīng)小于1-2Ω，若有超出需進(jìn)行降阻措施。

五、設(shè)備防雷的預(yù)防措施及降阻方法

風(fēng)電防雷的幾個(gè)層面：直擊雷防護(hù)；電磁脈沖和電磁感應(yīng)防護(hù)；接地保護(hù)。

1. 制定防雷預(yù)案

風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)長(zhǎng)應(yīng)起帶頭作用，做為防雷工作的第一負(fù)責(zé)人，還應(yīng)制定完善、具體的防雷預(yù)案，以預(yù)防為主。同時(shí)，確保防雷工作能有效的落實(shí)到每一位員工上。

2. 風(fēng)電機(jī)組整機(jī)防雷接地系統(tǒng)檢查

根據(jù)風(fēng)機(jī)制造商所提供的防雷檢查說(shuō)明書(shū)，應(yīng)盡可能的在第一場(chǎng)雷電到來(lái)之前完成。每年對(duì)接地電阻進(jìn)行一次測(cè)量，每個(gè)季度都需對(duì)防雷系統(tǒng)進(jìn)行一次檢查。

3. 要重視雷電形成的過(guò)電壓

風(fēng)機(jī)受到直接雷擊導(dǎo)引線和引下線并通過(guò)接地網(wǎng)引入大地。但從國(guó)外雷擊損壞部位統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，雷電直擊的葉片損壞占15%～20%，而80%以上是與引下線相連的其他設(shè)備，受雷電引入大地過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)電壓而損壞。

4.在雷電較多的地區(qū)，應(yīng)著重增加考慮一下防雷接地工作。

（1） 嚴(yán)格執(zhí)行風(fēng)機(jī)、箱變的基礎(chǔ)施工和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。

（2）考慮風(fēng)機(jī)箱變接線組別對(duì)防雷的影響，采用Yzn11組別變壓器的防雷效果更好。

（3）加強(qiáng)箱變的外絕緣處理。

風(fēng)電場(chǎng)防雷是一個(gè)系統(tǒng)和復(fù)雜的工程，需要從設(shè)計(jì)和施工、驗(yàn)收、運(yùn)行、管理等幾方面統(tǒng)籌全面考慮和把關(guān)，才可以有效的防止雷擊，保障人員和設(shè)備安全，減少由于雷擊造成的電量損失。

5.屏蔽措施

屏蔽裝置的作用是減少電磁干擾。因風(fēng)力發(fā)電機(jī)其結(jié)構(gòu)的特殊性，若能在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到屏蔽措施，從而屏蔽裝置就可以以較低的成本實(shí)現(xiàn)。應(yīng)將機(jī)艙制成一個(gè)金屬的封閉殼體，有關(guān)的電氣及電子器件都裝在開(kāi)關(guān)柜，控制柜和開(kāi)關(guān)柜的柜體應(yīng)具備良好的屏蔽效果。在機(jī)艙和塔基的不同設(shè)備之間，其線纜應(yīng)帶有外部金屬屏蔽層。對(duì)于干擾的抑制，只有在線纜屏蔽的兩端都與等電位連接帶相連接時(shí)，屏蔽層對(duì)電磁干擾的抑制才能有效。

6.接地網(wǎng)工程實(shí)用降阻方法

（1）擴(kuò)大主接地網(wǎng)面積。

（2）外延接地網(wǎng)。

（3）引外接地。

在引外接地中，有一種新接地網(wǎng)工程實(shí)用降阻方法（穆萊克勒-x（Moleculer-x）接地法），穆萊克勒（moleculer）接地法是在分子層面對(duì)雷電流進(jìn)行解讀，然后在分子層面構(gòu)建等量級(jí)的電荷運(yùn)動(dòng)通道，來(lái)為雷電流提供自由運(yùn)動(dòng)的通道，再與相同數(shù)量級(jí)的異性電荷中和來(lái)達(dá)到接地安全的方法；方法的實(shí)現(xiàn)有兩個(gè)組成部分：

1）要構(gòu)建一個(gè)多維萬(wàn)向的電荷自由運(yùn)動(dòng)通道。

2）必須提供相同數(shù)量等級(jí)的電荷儲(chǔ)備，以便在雷電狀態(tài)下能夠迅速中和達(dá)到安全。構(gòu)建萬(wàn)向通道材料需要具備如下特征：

（a）能夠與金屬緊密結(jié)合

（b）能夠與介質(zhì)緊密結(jié)合

（c）能夠多維的運(yùn)動(dòng)通道

（d）保水性強(qiáng)以利于長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

柔性接地體同時(shí)能夠最大限度降低介質(zhì)的電阻率，降阻系數(shù)能達(dá)到 0.16（經(jīng)國(guó)家質(zhì)檢中心檢驗(yàn)可以達(dá)到0.16）。其可以獲得最多的異性感應(yīng)電荷，能夠在瞬間中合雷電泄放電流。柔性接地體選取了電涌性能極好的載體這樣能夠充分保證電荷在載體中的通過(guò)性。

（作者單位：華電（福清）風(fēng)電有限公司）