阿迪力·阿布力克木 陳丹

摘要：：隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷増大，風(fēng)機(jī)輪轂高度和葉片高點(diǎn)也在不斷増高，在曠野、山頂和沿海地區(qū)，風(fēng)機(jī)遭受雷擊的概率非常大。從各風(fēng)場反饋的情況來看，雷擊不但是造成風(fēng)機(jī)故障停機(jī)的重要因素，甚至直接影響風(fēng)電場的安全運(yùn)行。本文首先從雷電的破壞機(jī)理和形式入手，對雷電的防護(hù)區(qū)域進(jìn)行了劃分，并提出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷保護(hù)設(shè)計(jì)原則和防雷系統(tǒng)工程方案;而后對風(fēng)機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的防雷保護(hù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并提出了具體的防雷保護(hù)方法。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電? 防雷? 雷電

1引言

風(fēng)能是一種綠色、安全的清潔能源，也是當(dāng)前技術(shù)最成熟、最具備規(guī)模開發(fā)條件的可再生能源。近年來，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量越來越大，為了吸收更多能量，輪毅高度和葉輪直徑不斷增高;同時，高原、沿海、海上等新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的開發(fā)，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始大量應(yīng)用于高原、沿海、海上等地形更為復(fù)雜，環(huán)境更為惡劣的地區(qū)，更加加大了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組被雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 風(fēng)電機(jī)組故障中，由遭遇雷擊導(dǎo)致的故障占到4%。電具有極大的破壞力，雷擊釋放的巨大能量會造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片損壞、發(fā)電機(jī)絕緣擊穿、控制元器件燒毀等故障，給風(fēng)電場帶來直接和間接的巨大經(jīng)濟(jì)損失， 此風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷保護(hù)已日益引起各個風(fēng)電機(jī)組制造廠家和風(fēng)電機(jī)組研發(fā)設(shè)計(jì)人員的重視。風(fēng)電機(jī)組的防雷是一個綜合性的工程，防雷設(shè)計(jì)的到位與否，直接關(guān)系到風(fēng)電機(jī)組在雷雨天氣時能否正常工作，并且確保風(fēng)電機(jī)組內(nèi)的各種設(shè)備不受損害。

2雷電的產(chǎn)生及危害

雷電是雷云間或雷云與地面物體間的放電現(xiàn)象，電位差可達(dá)數(shù)兆瓦甚至十兆瓦，放電電流幾十千安甚至幾百千安。經(jīng)驗(yàn)表明，對地放電的雷云絕大部分帶負(fù)電荷，當(dāng)雷暴經(jīng)過大地時，云塊下方原本負(fù)電荷充電的幾公里的雷暴范圍內(nèi)的大地可以變?yōu)檎龢O充電。這些正電荷會集中在垂的物體上，比如樹木和高聳的建筑物。這些物體向上釋放出正極的放電，并試圖與從云塊發(fā)出的向下的負(fù)極放電相結(jié)合，當(dāng)正負(fù)電荷相結(jié)合時，閃電就發(fā)生了。

2.1雷電的破壞形式

風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般都是安裝在空曠的地方，并且明顯高于附近的建筑物和樹木，所以整個風(fēng)機(jī)是暴露在直接雷擊的威脅下，尤其是葉片。因被雷擊中的概率與該物體高度的平方成正比，況且風(fēng)力發(fā)電機(jī)幾乎任何地方都可能成為雷擊的附著點(diǎn)，當(dāng)任一點(diǎn)被雷擊中時，它都將成為雷電流泄放的通路。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的內(nèi)部有很多的電子電氣設(shè)備，比如控制柜、驅(qū)動裝置、傳感器、變頻器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以及相應(yīng)的總線系統(tǒng)等。設(shè)備遭雷擊受損通常有4種情況，1.設(shè)備直接遭受雷擊而損壞;2.雷電脈沖沿著與設(shè)備相連的信號線、電源線或其他金屬管線侵人設(shè)備使其受損;3.設(shè)備接地體在雷擊時產(chǎn)生瞬間高電位形成地電位“反擊”而損壞;4.設(shè)備因安裝的方法或安裝位置不當(dāng)，受雷電在空間分布的電場、磁場影響而損壞。雖然國際電工委員會（IEC）于2002年已經(jīng)頒布了風(fēng)電機(jī)組的防雷推薦標(biāo)準(zhǔn)（IEC/TR 61400-24），但該標(biāo)準(zhǔn)僅制定了一套設(shè)計(jì)導(dǎo)則[5]，只是用于雷電防護(hù)的一般情況，其內(nèi)容多限于一般性和經(jīng)驗(yàn)性的設(shè)計(jì)原則，但沒有規(guī)定量化的設(shè)計(jì)條款和具體的實(shí)施細(xì)則，對雷電瞬態(tài)過程的防護(hù)措施設(shè)置尚不夠規(guī)范[6]。

2.2雷電防護(hù)區(qū)域的劃分

雷電防護(hù)區(qū)域的提出是為了更好的保護(hù)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)里的電氣部件。風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)利用半徑30m的滾球法可以分為幾個不同的區(qū)域。雷電防護(hù)系統(tǒng)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制定劃分區(qū)域，目的是為了減少電磁干擾與可預(yù)見的藕合干擾。國際電工委員會對防雷過電壓保護(hù)的防護(hù)區(qū)域劃分為：LPZO區(qū)（LPZA、LPZOB），LPZI區(qū)，LPZ2區(qū).

LPZ0A區(qū)有直擊雷（繞雷）侵襲的危險(xiǎn)， 完全處在電磁場環(huán)境中，具有雷擊電涌破壞的可能。這個區(qū)域包括：葉片、機(jī)艙罩避雷針系統(tǒng)、塔架、架空電力線、風(fēng)電場通訊電纜;LPZOB區(qū)沒有直擊的危險(xiǎn)，但電磁場環(huán)境與雷電電涌沒有任何減低[5]。這類區(qū)域包括葉片加熱部分、環(huán)境測量傳感器、航標(biāo)燈未平蔽的機(jī)艙內(nèi)部、發(fā)電機(jī)、齒輪箱、冷卻系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、電氣控制柜、傳感器、電纜。以上部位是遭受直擊雷（繞雷）或不遭受直擊雷，但電磁場沒有衰減的部位。

LPZl區(qū)可選擇SPD保護(hù)設(shè)備，存在電涌破壞的危險(xiǎn)，電磁場由于屏蔽作用已經(jīng)減弱。這類區(qū)域包括機(jī)艙內(nèi)、塔架內(nèi)的設(shè)備如電纜、發(fā)電機(jī)、齒輪箱等。

LPZ2區(qū)電涌破壞進(jìn)一步減弱，電磁破壞影響更小。這類區(qū)域包括塔架內(nèi)電氣柜中的設(shè)備，特別是屏蔽較好的弱電部分。

3 防雷和過電壓保護(hù)設(shè)計(jì)

3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雷電接受和傳導(dǎo)途徑

雷電由在葉片表面接閃電極引導(dǎo)，由雷電引下線傳到葉片根部，通過葉片根部傳給葉片法蘭，通過葉片法蘭和變槳軸承傳到輪轂，通過輪轂法蘭和主軸承傳到主軸，通過主軸和基座傳到偏航軸承，通過偏航軸承和塔架最終導(dǎo)入接地網(wǎng)。

3.2外部直擊雷的保護(hù)設(shè)計(jì)

葉片 ：葉片防雷系統(tǒng)包含接閃器和敷設(shè)在葉片內(nèi)腔連接到葉片根部的導(dǎo)引線.雷電接閃器是一個特殊設(shè)計(jì)的不銹鋼螺桿，裝置在葉片尖部，即葉片最可能被襲擊的部位，接閃器可以經(jīng)受多次雷電的襲擊，受損后也可以更換。雷電傳導(dǎo)部分在葉片內(nèi)部將雷電從接閃器通過導(dǎo)引線導(dǎo)入葉片根部的金屬法蘭，通過輪轂、主軸傳至機(jī)艙，再通過偏航軸承和塔架最終導(dǎo)入接地網(wǎng)。葉片防雷系統(tǒng)的主要目標(biāo)是避免雷電直擊葉片本體，而導(dǎo)致葉片本身發(fā)熱膨脹、迸裂損害。

3.3機(jī)艙

機(jī)艙主機(jī)架與葉片、機(jī)艙頂上避雷棒連接，再連接到塔架和基礎(chǔ)的接地網(wǎng)。避雷棒用作保護(hù)風(fēng)速計(jì)和風(fēng)標(biāo)免受雷擊，在遭受雷擊的情況下將雷電流通過接地電纜傳到機(jī)艙上層平臺，避免雷電流沿傳動系統(tǒng)的傳導(dǎo)。機(jī)艙上層平臺為鋼結(jié)構(gòu)件，機(jī)艙內(nèi)的零部件都通過接地線與之相連，接地線盡可能地短直。

3.4塔架及引下線

專設(shè)的引下線連接機(jī)艙和塔架，減輕電壓降，跨越偏航環(huán)，機(jī)艙和偏航制動盤通過接地線連接，因此，雷擊時將不會受到傷害，通過引下線將雷電順利地引入大地。

3.5接地網(wǎng)

接地網(wǎng)設(shè)在混凝土基礎(chǔ)的周圍[3]。接地網(wǎng)包括1個50平方毫米銅環(huán)導(dǎo)體，置在離基礎(chǔ)地下 1 m 處;每隔一定距離打入地下鍍銅接地棒，作為銅導(dǎo)電環(huán)的補(bǔ)充 ;銅導(dǎo)電環(huán)連接到塔架 2 個相反位置，地面的控制器連接到連接點(diǎn)之一。有的設(shè)計(jì)在銅環(huán)導(dǎo)體與塔基中間加上兩個環(huán)導(dǎo)體，使跨步電壓更加改善。如果風(fēng)機(jī)放置在高地電阻區(qū)域 ， 地網(wǎng)將要延伸保證地電阻達(dá)到規(guī)范要求。一個有效的接地系統(tǒng)，應(yīng)保證雷電入地，為人員和動物提供最大限度的安全，以及保護(hù)風(fēng)機(jī)部件不受損壞。日本學(xué)者利用時域有限差分法對于機(jī)組的含接地環(huán)的接地體進(jìn)行了電磁暫態(tài)的分析，并得出了環(huán)形電極對機(jī)組防雷保護(hù)的基本特性[7]，[8]。

3.6內(nèi)部防雷（過電壓）保護(hù)系統(tǒng)

為了預(yù)防雷電效應(yīng)，對處在機(jī)艙內(nèi)的金屬設(shè)備如 ：金屬構(gòu)架、金屬裝置、電氣裝置、通信裝置和外來的導(dǎo)體應(yīng)作等電位連接，連接母線與接地裝置連接。匯集到機(jī)艙底座的雷電流，傳送到塔架，由塔架本體將雷電流傳輸?shù)降撞?，并通過接入點(diǎn)傳輸?shù)浇拥鼐W(wǎng)。

3.7等電位匯接和隔離

風(fēng)速計(jì)、風(fēng)標(biāo)和環(huán)境溫度傳感器在機(jī)艙內(nèi)一起等電位接地 ;機(jī)艙的所有組件如避雷針、主軸承、發(fā)電機(jī)、齒輪箱和液壓站等以合適尺寸的接地帶，連接到機(jī)艙主框作為等電位 ;主空開進(jìn)線電纜接地線與控制柜、變壓器和電抗器在塔底接地匯流排上作等電位連接 ;地面開關(guān)盤框由一個封閉金屬盒，連接到地等電位。在機(jī)艙上的處理器和地面控制器通信，采用光纖電纜連接 ;對處理器和傳感器，分開供電的直流電源。

4雷電響應(yīng)

4.1 葉片的雷電暫態(tài)響應(yīng)

首先雷電流從葉片頂端注入，電流源波形為10/350畔，雷電流幅值為lOOkA。

上圖4-1，所示為雷電流注入風(fēng)機(jī)時葉片上雷電流波形。從圖中可以看出葉片上的雷電流波形和10/350%雷電流波形走勢是大體相同的，只不過雷電流波形發(fā)生了一定的振蕩， 這是因?yàn)殡娋W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由電感和電容組成的，電路本身的自振頻率，使得部分的高頻電流會通過電路，從而使葉片上通過的電流出現(xiàn)振蕩，另外EMTP軟件中在求解這種暫態(tài)電路是利用梯形積分法來求解的，會放大高頻電流的影響，這樣也會使得電流出現(xiàn)振蕩。

下圖是雷電流從槳葉上注入，其上的電壓抬升情況的數(shù)值計(jì)算的仿真。在此是將槳葉平均分為四段，將槳葉上分段結(jié)點(diǎn)由上往下依次標(biāo)號為結(jié)點(diǎn)a、b、c， d、e，那么其上各節(jié)點(diǎn)的電壓波形如下圖4-2。

可以看出雷電一旦擊中風(fēng)機(jī)葉片會有幾十甚至幾百千安的電流通過，相應(yīng)的槳葉殼體上的電壓最大抬升可達(dá)幾兆伏，由于槳葉內(nèi)部是空心的機(jī)械結(jié)構(gòu)，那么當(dāng)電壓增加到一定的程度時，槳葉內(nèi)空氣承受不住瞬間的這種高電壓，就會葉片的殼體內(nèi)發(fā)生電壓反擊，從而產(chǎn)生電弧，對葉片造成機(jī)械損害。另外，為了更好地反映葉片遭受雷擊時，其上的電壓分布情況，本文通過對葉片上的各節(jié)點(diǎn)的電壓取平均值，繪制出了各結(jié)點(diǎn)電壓平均值在葉片本體上的變化曲線。

本文中機(jī)組的槳葉長度為40m，其中上圖中橫坐標(biāo)軸為零時，此時對應(yīng)的是槳葉最端的結(jié)點(diǎn)電壓，那么橫坐標(biāo)為40時，所對應(yīng)的是槳葉最下端的電壓。從上圖4-3可以看出：雷電流在槳葉往下傳播時，其上的電壓下降了 1.25%左右。

雖然葉片的殼體由玻璃纖維（GRP）、碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）等高電阻率的材料組成，但在這么強(qiáng)大的雷電流作用下就很容易產(chǎn)生導(dǎo)電路徑，在葉片上出現(xiàn)的放電通道可能有三條，即葉片殼體外表面、內(nèi)表面和殼體材料疊層交界處。在一次雷電放電中，這三種放電路徑并不一定只有一個，也可能雷電流在這三種路徑之間來回跳變重復(fù)發(fā)生，并且在此期間時常伴有電弧的出現(xiàn)，弧道溫度一般高達(dá)幾萬攝氏度，這么高的溫度會嚴(yán)重?zé)龤んw材料，同時高溫會使葉片內(nèi)部產(chǎn)生高壓力沖擊波，對葉片造成機(jī)械損傷（出現(xiàn)葉片裂縫，嚴(yán)重時導(dǎo)致葉片斷裂）。因此， 對葉片的電壓數(shù)值計(jì)算是非常必要的，現(xiàn)在，國際上對于風(fēng)機(jī)葉片的防雷保護(hù)通常采用IEC-1024-1的I級保護(hù)水平設(shè)計(jì)，一般在葉片尖部嵌裝圓盤形接閃器，接閃器與設(shè)置在葉片內(nèi)部并跨接葉片全長的引下導(dǎo)體作電氣連接，其目的就是為了雷電流能順利的通過葉片，減少對葉片的損傷。

隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量增大，葉片長度在增加，對于長度大于20m的葉片來說采用單接閃器加內(nèi)置引下線措施通常已不再可靠，為此，現(xiàn)在較為實(shí)用的做法是在葉片上加裝多個接閃器，這樣可以大幅度地改善防雷裝置對雷電下行先導(dǎo)的攔截性能，減小葉片表面非接閃器部位的雷擊概率。目前這種做法巳經(jīng)在MW級的機(jī)組上投入使用。

4.2軸承的雷電暫態(tài)響應(yīng)

在機(jī)組葉片受雷擊接閃后，雷電流由葉片根部傳導(dǎo)到機(jī)艙主軸，流過主軸的雷電流又會通過軸承導(dǎo)入到下面的塔體上。而在這一過程中，軸承是最易受到雷電流損害的部件。當(dāng)有強(qiáng)大的雷電流通過軸承時，雷電流很容易在軸承處的間隙發(fā)生油膜放電，產(chǎn)生電弧灼燒軸承，很有可能使軸承表面的部分金屬發(fā)生熔化， 產(chǎn)生灼燒斑點(diǎn)，這樣會造成軸和軸承工作時，大大加大兩者之間的機(jī)械磨損，噪聲增大，明顯縮短工作壽命。在文獻(xiàn)[1]中提出了簡單軸承模型注入雷電流的試驗(yàn)， 試驗(yàn)中得出了通過的雷電流幅值與軸承損傷面積之間的關(guān)系，如下圖

從上圖中可以看出：在軸承所受機(jī)械負(fù)荷一定的情況下（即軸與被測軸承之間接觸面積一定），最大損傷面積總是隨著注入電流的增大而增大，幾乎是一個正比例增長的關(guān)系;在注入電流一定的情況下最大損傷面積隨著軸承所受機(jī)械負(fù)荷的增大而減小。呈現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因：注入電流加大，其熱效應(yīng)增強(qiáng)，熱損壞作用增強(qiáng)，相應(yīng)的最大損傷面積增大;在機(jī)械負(fù)荷增大，軸與軸承之間的接觸面積增大，這樣可以改善雷電流在軸承內(nèi)的傳導(dǎo)條件，能減弱熱損耗的作用。

從上面的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：要減少雷電流對軸承的危害，一般方法有兩種： 一、減小注入機(jī)組軸承的雷電流的大小;二、適當(dāng)?shù)脑龃筝S承上的機(jī)械負(fù)荷。至于第二種方法難以應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)中，因?yàn)樵黾訖C(jī)組的機(jī)械負(fù)荷很可能對機(jī)組的機(jī)械性能造成影響。因此，現(xiàn)實(shí)中對機(jī)組的軸承防雷，常采用措施是在軸承前端設(shè)置一條與其并行的低阻通道，對于沿軸承傳來的雷電流實(shí)施旁路分流，使雷電流盡可能少的流過軸承。為了達(dá)到這一目的，常用導(dǎo)體滑環(huán)、電刷和放電管等，具體的旁路分流通道設(shè)置見文獻(xiàn)[1]。采用旁路分流后，軸承的電路模型是由軸承的電容和軸承與電刷之間的接觸電阻相并聯(lián)組成。

下圖4-5（a、b）分別為雷電流經(jīng)過機(jī)艙主軸承和機(jī)組加裝分流電刷電路的雷電流。從下面兩圖中可以明顯看出;在風(fēng)機(jī)未采用低阻的旁路放電防雷措施時， 軸承上流過的雷電流的幅值在100kA左右，而對機(jī)組的軸承采取防雷措施時，流經(jīng)機(jī)組主軸承上的雷電流幅值明顯減小，此時雷電流幅值降到18kA左右，而大部分雷電流是經(jīng)過旁路放電通道往下傳播的，所以采用旁路電刷低阻通道可以明顯地降低流過機(jī)組軸承上的雷電流，對軸承的防護(hù)起到有效的保護(hù)作用。

結(jié)論

雷電是影響機(jī)組可靠安全運(yùn)行的實(shí)際因素，對風(fēng)電機(jī)組的災(zāi)害性正備受人們的關(guān)注;就現(xiàn)有己公布的文獻(xiàn)來看，關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電瞬態(tài)過程的研究，國際和國內(nèi)尚未開展專門的研究工作。在理論分析方面，缺乏機(jī)組的雷電瞬態(tài)分析模型和瞬態(tài)效應(yīng)數(shù)值計(jì)算方法。在保護(hù)設(shè)計(jì)方面，缺乏充分可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)，對風(fēng)電機(jī)機(jī)組遭受雷擊時其本體結(jié)構(gòu)上各部位出現(xiàn)的瞬態(tài)電位抬高水平和過電壓危害程度沒有提出可供保護(hù)設(shè)計(jì)參考的量化指標(biāo)。為此，本文從理論分析、數(shù)值計(jì)算以及模擬試驗(yàn)三方面對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在遭受直接雷擊的瞬態(tài)模擬過程進(jìn)行研究。下面就本文的相關(guān)工作和結(jié)論作如下總結(jié)：

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭受雷擊時，強(qiáng)大的雷電流通常是從機(jī)組的葉片葉尖注入， 雷電流會沿機(jī)組的葉片到達(dá)葉片根部，流過主軸承和機(jī)艙導(dǎo)流路徑進(jìn)入塔體頂部， 然后經(jīng)塔體導(dǎo)入接地裝置，并由接地裝置散入大地。本文通過選取合適的算法， 詳細(xì)介紹了對雷電放電、葉片、機(jī)艙、塔體、接地裝置建立模型的方法，從而將整個導(dǎo)流路徑轉(zhuǎn)化成可以進(jìn)行數(shù)值求解的電網(wǎng)絡(luò)。雷電流在機(jī)組的塔體上傳播時，各導(dǎo)體中雷電流波形與注入的雷電流波形基本一致;在雷電流往下傳播過程中，雷電流從注入點(diǎn)向塔體的其他分支導(dǎo)體擴(kuò)散流動，其中水平分支導(dǎo)體起到分散電流的作用，而傾斜導(dǎo)體則是雷電流主要泄放的通道;電流在塔體頂層分布極不均勻，隨著電流往下傳播，各層導(dǎo)體的雷電流分布自上而下逐漸趨于均勻;當(dāng)傾斜支路上的電流達(dá)到平衡狀態(tài)時，該層上傾斜導(dǎo)體的電流分量值之和，近似的等于注入機(jī)組的雷電流幅值。因此，在機(jī)組的防直擊雷設(shè)計(jì)時，一定要保證塔體各個分段連接良好，必要時還可以設(shè)置水平分流導(dǎo)體和采用引下線來分散電流，以便為機(jī)組提供雷電流泄放有效的通道。

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作者簡介：阿迪力·阿布力克木（1993-），男，維吾爾族，新疆吐魯番市鄯善縣人，大學(xué)本科學(xué)歷，助理工程師，從事氣象局測報(bào)、氣象觀測、防雷工作。

通訊作者：陳丹，阿克蘇地區(qū)氣象局，助理工程師。