趙江

摘 ?要：風(fēng)電機(jī)組在受直接雷擊時(shí)，巨大的雷電流將在其傳輸入地的路徑上產(chǎn)生熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)，雷電對(duì)風(fēng)電機(jī)組槳葉、軸承和傳動(dòng)部件都可能造成直接和潛在的損壞，隨著機(jī)組容量的增大和機(jī)組高度的加長(zhǎng)，機(jī)身的空間暴露范圍也在擴(kuò)大，相應(yīng)的，其直接遭受雷擊的概率也在增大。因此，在風(fēng)電機(jī)組的防雷設(shè)計(jì)中，其直接雷擊防護(hù)一直受到十分廣泛的關(guān)注。

關(guān)鍵詞：直接雷擊 ?損壞 ?防護(hù) ?防雷

中圖分類號(hào)：TM315 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）07（a）-0043-02

風(fēng)電機(jī)組在受直接雷擊時(shí)，巨大的雷電流將在其傳輸入地的路徑上產(chǎn)生熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)，對(duì)槳葉、軸承和傳動(dòng)部件造成直接和潛在的損壞，引起機(jī)組停運(yùn)事故，危害風(fēng)電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。隨著機(jī)組容量的增大和機(jī)組高度的加長(zhǎng)，機(jī)身的空間暴露范圍在擴(kuò)大，相應(yīng)的，其直接遭受雷擊的概率也在增大。因此，在風(fēng)電機(jī)組的防雷設(shè)計(jì)中，其直接雷擊防護(hù)一直受到十分廣泛的關(guān)注。該文將介紹機(jī)組的雷擊特性及槳葉和軸承部件的雷擊損壞機(jī)理，并對(duì)機(jī)組的直接雷擊防護(hù)措施加以討論。

1 ?風(fēng)電機(jī)組的雷擊特性

1.1 雷擊部位

從風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)來(lái)看，其槳葉葉尖在運(yùn)行時(shí)處于機(jī)組的動(dòng)態(tài)最高點(diǎn)，是最容易受到雷擊的部位。但是，從滾球法的概念（見(jiàn)圖1）可見(jiàn)，槳葉側(cè)面、輪轂、機(jī)艙和塔筒上高度大于滾球半徑的部分均可能成為雷擊點(diǎn)。由于雷電流和雷擊距均為隨機(jī)變量，對(duì)于那些電流幅值高的強(qiáng)雷，其雷擊距大，相應(yīng)的滾球半徑也大，滾球面與機(jī)組的接觸點(diǎn)將位于機(jī)組頂端的葉尖附近部位。對(duì)于電流較小的弱雷，其雷擊距小，相應(yīng)的滾球半徑也小，滾球面與機(jī)組的接觸點(diǎn)可以從葉尖開(kāi)始，向下擴(kuò)展到機(jī)艙和塔筒，如圖1所示，圖（a）中的dsq為對(duì)應(yīng)于強(qiáng)雷的滾球半徑，圖（b）中dsr為對(duì)應(yīng)于弱雷的滾球半徑。因此，對(duì)于弱雷來(lái)說(shuō)，其雷擊點(diǎn)在機(jī)組上的分布范圍要比強(qiáng)雷的廣，其破壞范圍比強(qiáng)雷的更大一些，在防護(hù)上也就要比強(qiáng)雷更難一些。

1.2 雷擊率

風(fēng)電機(jī)組的雷擊率不僅與機(jī)組所處地域的氣象、地理和地質(zhì)條件有關(guān)，還與機(jī)組自身的尺寸密切相關(guān)。隨著機(jī)組容量的增大，機(jī)組的高度和槳葉長(zhǎng)度等尺寸也在增大，相應(yīng)的，機(jī)組在大氣空間的暴露范圍和空間受雷曲面也在增大。機(jī)組的空間受雷曲面可按滾球法來(lái)確定，將滾球面沿槳葉、機(jī)艙和塔筒連續(xù)滾動(dòng)，其球心的三維運(yùn)動(dòng)軌跡即為機(jī)組的空間受雷曲面，如圖2中的點(diǎn)劃線所示。從幾何的角度來(lái)看，當(dāng)機(jī)組高度和槳葉長(zhǎng)度增加時(shí)，沿機(jī)組滾球所得出的空間受雷曲面也將擴(kuò)展、增大，這就意味著機(jī)組遭受雷擊的機(jī)會(huì)，即雷擊率會(huì)增大。

2 ?雷擊對(duì)各部件的損壞

2.1 雷擊對(duì)槳葉的損壞

槳葉是最容易受到雷擊的，同時(shí)也是維修成本額度最高的，它的主要組成材料為：鋼、鋁、木質(zhì)、GRP（纖維增強(qiáng)塑料）、CFRP（碳纖維增強(qiáng)塑料），結(jié)構(gòu)為外殼加內(nèi)梁。該材料由于電阻率高，不易導(dǎo)電，但是在強(qiáng)大雷電流作用下就能夠產(chǎn)生導(dǎo)電路徑。從絕緣介質(zhì)放電機(jī)制來(lái)看，固體介質(zhì)的表面最容易發(fā)生沿面放電的路徑，當(dāng)一片漿葉受到雷擊后，在槳葉上出現(xiàn)3條放電通道，雷電流可以通過(guò)沿面放電通道直接在殼體外表面上傳導(dǎo)，也可以在雷擊點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)熱熔洞孔，透入洞孔去沿殼體的內(nèi)表面或材料疊層交界面的沿面放電通道進(jìn)行傳導(dǎo)。雷電流透入洞孔后，雷電流沿殼體內(nèi)部路徑或殼體外表面進(jìn)行傳導(dǎo)，在某些情況下，這種路徑的跳變可能會(huì)重復(fù)發(fā)生。

雷電流巨大時(shí)則可以產(chǎn)生電弧，這種弧道溫度可高達(dá)30000K，高溫則會(huì)燒毀弧道附近的殼體材料，同時(shí)高溫也會(huì)在殼體內(nèi)部產(chǎn)生高壓力的沖擊波，對(duì)槳葉殼體產(chǎn)生損傷，使受雷擊后的槳葉上出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致槳葉斷裂。在某些嚴(yán)重的情況下，不僅會(huì)損毀直接受雷擊的槳葉，甚至還會(huì)傳遞到其他未受到雷擊的槳葉上去，這種嚴(yán)重的雷擊事故在國(guó)外風(fēng)電場(chǎng)已有過(guò)多次記錄。

2.2 雷電流對(duì)軸承的損壞

在風(fēng)電機(jī)組受到雷擊時(shí)，軸承則是風(fēng)電機(jī)組另一個(gè)容易遭受到雷電流損壞的部件。當(dāng)槳葉遭受到雷擊后，會(huì)有一些雷電流從槳葉傳導(dǎo)流進(jìn)主軸，流進(jìn)主軸的這部分雷電流中又有相當(dāng)一部分流進(jìn)軸承，由主軸所載的雷電流在機(jī)艙內(nèi)各主要部件的分流路徑。雷電流流過(guò)軸承后，將會(huì)使軸承內(nèi)的滾子和套圈受到損傷，從而危及軸承的運(yùn)行可靠性。

雷電流對(duì)軸承的損壞作用與它在軸承內(nèi)部傳導(dǎo)的路徑有很大關(guān)系，這些傳導(dǎo)路徑主要有兩條：一條是由軸承圓周上負(fù)載區(qū)段內(nèi)滾子與套圈相接觸所形成的通路;另一條是由其圓周上無(wú)負(fù)載區(qū)段內(nèi)滾子與套圈之間的短氣隙在被電弧擊穿后形成的通路。對(duì)于一個(gè)帶機(jī)載負(fù)荷的軸承來(lái)說(shuō)，其圓周上負(fù)荷區(qū)段內(nèi)與內(nèi)套圈相接觸的滾子個(gè)數(shù)及其接觸面積取決于負(fù)荷的大小，且隨著負(fù)荷的增大而增大。在無(wú)負(fù)荷區(qū)段內(nèi)，滾子與內(nèi)套圈之間短氣隙的擊穿特性取決于軸承內(nèi)填充潤(rùn)滑油的絕緣強(qiáng)度。此外，軸承的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也會(huì)進(jìn)一步影響到雷電流在這兩條傳導(dǎo)路徑上的傳導(dǎo)性能及所造成的損傷程度。

3 ?風(fēng)電機(jī)組防護(hù)

3.1 槳葉防雷

風(fēng)電機(jī)組槳葉的防雷裝置主要是由接閃器和引下導(dǎo)體組成，一般情況是將接閃器做成圓盤形狀，將其嵌裝在槳葉的葉尖部，盤面與葉面平齊，接閃器與設(shè)置在槳葉本體內(nèi)部并跨接槳葉全長(zhǎng)的引下導(dǎo)體作電氣連接。當(dāng)槳葉尖受到雷擊時(shí)，雷電流由接閃器導(dǎo)入引下導(dǎo)體，引下導(dǎo)體再將雷電流引入葉根部輪轂、低速軸和塔筒等，最終泄入大地。

這種內(nèi)置引下導(dǎo)體的單接閃器，制造上是比較簡(jiǎn)單的，通過(guò)場(chǎng)外實(shí)際運(yùn)用，它對(duì)小型風(fēng)電機(jī)組的保護(hù)是可以的（槳葉長(zhǎng)度不超過(guò)20m的）。但對(duì)大中型風(fēng)電機(jī)組來(lái)講，運(yùn)用這種內(nèi)置引下導(dǎo)體的單接閃器將會(huì)出現(xiàn)較多未覆蓋的雷擊點(diǎn)（大中型風(fēng)電機(jī)組的槳葉大于20m的），不能滿足防雷擊的要求，槳葉受到雷擊的機(jī)會(huì)大大增多。通過(guò)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，將多個(gè)單接閃器裝在槳葉上是一種比較可行的辦法，各接閃器與內(nèi)置引下導(dǎo)體連接，這種做法可以改善防雷裝置對(duì)雷電下行先導(dǎo)的攔截性能，同時(shí)也減小了槳葉表面雷擊點(diǎn)覆蓋面的幾率。

3.2 軸承防雷

軸承防雷主要是在軸承的前端設(shè)置一條并行的低阻通道，對(duì)于沿軸傳來(lái)的雷電流實(shí)施分流，使雷電流盡量少地流入軸承。為了達(dá)到軸承防雷目的，可用導(dǎo)體滑環(huán)、銅制電刷和放電器等來(lái)進(jìn)行操作，機(jī)組中將采用耐磨性能較好的銅質(zhì)電刷，這種銅質(zhì)電刷可以在一定程度上改善磨損和導(dǎo)流狀況。如果單純地采用這種電刷進(jìn)行旁路分流，只能分流走一部分雷電流，仍會(huì)有一部分雷電流可以經(jīng)過(guò)軸承。經(jīng)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，可采用旁路分流和阻斷隔離相結(jié)合的方式加以綜合治理。在主軸承齒輪箱與機(jī)艙底板之間加裝絕緣墊層以阻斷雷電流從這些路徑流過(guò)，并在齒輪箱與發(fā)電機(jī)之間加裝絕緣聯(lián)軸器，以阻斷雷電流從高速軸進(jìn)入發(fā)電機(jī)，這樣就可以在很大程度上迫使雷電流從最前端的滑環(huán)旁路分流導(dǎo)入機(jī)艙底板和塔筒。應(yīng)當(dāng)注意，在受到雷擊或機(jī)艙內(nèi)發(fā)生電氣故障時(shí).這樣的絕緣方式會(huì)在被絕緣的設(shè)備與機(jī)艙底板之間產(chǎn)生高的電位差，即暫態(tài)過(guò)電壓，它對(duì)于維護(hù)人員的人身安全和設(shè)備的可靠運(yùn)行都是具有危害性的，需要在這些部位采取附加的過(guò)電壓抑制措施。

3.3 機(jī)艙防雷

完成了槳葉防雷措施，對(duì)于機(jī)艙而言就相當(dāng)于提供一層前級(jí)的保護(hù)。這一級(jí)的保護(hù)可有效地處理來(lái)自機(jī)艙正面和上面的雷電流，但不足的是，對(duì)于來(lái)自機(jī)艙尾后方的雷電流無(wú)法進(jìn)行處理。因此，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，在機(jī)艙尾部架設(shè)避雷針可有效地保護(hù)艙尾不受雷擊。如果機(jī)組的槳葉上沒(méi)有安裝接閃器等裝置，可以在機(jī)艙頭部和尾部架設(shè)避雷針，同時(shí)在機(jī)艙罩表面加裝金屬帶和金屬網(wǎng)，這樣可以起到防雷保護(hù)的效果。

4 ?結(jié)語(yǔ)

風(fēng)機(jī)組在槳葉、軸承、機(jī)艙等部位進(jìn)行了有效的防護(hù)后，遭受雷擊時(shí)，就可以從各防雷裝置作用下泄入大地，將雷擊危害程度顯著降低，從而取得好的防雷保護(hù)效果。

參與文獻(xiàn)

[1] 林琳，代明.基站綜合防雷設(shè)計(jì)方案[J].移動(dòng)通信，2016（20）：81.

[2] 劉軍婷.110kV變電站綜合防雷措施[J].農(nóng)村電氣化，2014（6）：21.

[3] GB 50343-2012，建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016.

[4] 陳渭民.雷電學(xué)原理[M].北京：氣象出版社，2003.

[5] GB/Z 25427-2010，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電防護(hù)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.