鄧橋

風(fēng)電廠風(fēng)機(jī)防雷技術(shù)發(fā)展研究

鄧橋

（中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司西北電力試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710000）

風(fēng)電機(jī)組的防雷技術(shù)對于風(fēng)電廠安全穩(wěn)定地生產(chǎn)運(yùn)營起著十分重要的作用。對風(fēng)電廠風(fēng)機(jī)防雷技術(shù)的現(xiàn)狀及問題進(jìn)行了梳理分析，并提出了風(fēng)機(jī)防雷技術(shù)的改進(jìn)技術(shù)以及風(fēng)機(jī)防雷技術(shù)的發(fā)展趨勢。

風(fēng)電廠；機(jī)組防雷；防雷技術(shù)；存在問題

隨著新能源結(jié)構(gòu)調(diào)整戰(zhàn)略的實(shí)施，中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入到快速發(fā)展階段。截至2017年，全國風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘恳呀?jīng)超過1.8億kW，在全球居首位。隨著風(fēng)電規(guī)模的日益擴(kuò)大，風(fēng)電生產(chǎn)運(yùn)營的安全性和經(jīng)濟(jì)效益問題也成為風(fēng)電企業(yè)及從業(yè)人員關(guān)注和研究的重要內(nèi)容。在風(fēng)電生產(chǎn)運(yùn)營中，雷擊導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)設(shè)備損壞是影響風(fēng)電生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益的重要因素之一。為此針對風(fēng)機(jī)防雷技術(shù)進(jìn)行研究是十分必 要的。

1 風(fēng)機(jī)雷擊故障概況

據(jù)IEC/TR統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在20世紀(jì)90年代歐洲地區(qū)大約每年有4%～8%的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭到雷擊。其中，受到雷擊的風(fēng)電機(jī)組部位包括風(fēng)俗風(fēng)向儀、傳感器、變槳系統(tǒng)、塔筒、剎車系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、電氣系統(tǒng)、葉片等。雷擊對風(fēng)電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備的破壞具有普遍性，其中葉片在所有設(shè)備部件中是最容易遭受雷擊損害的，其次是制動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)。

對于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說，雷擊故障規(guī)律的特征如下：①近年來中國風(fēng)電廠的風(fēng)機(jī)設(shè)備高度越來越高，漿液長度也越來越長。由于葉片是最容易遭受雷擊的部位，因此這種趨勢下中國風(fēng)電廠風(fēng)機(jī)受到雷擊的破壞性及所受到的經(jīng)濟(jì)影響更大。②風(fēng)機(jī)裝機(jī)的地理位置大多是沿海或山頂?shù)瓤諘缥恢?，一旦雷暴云過境，對風(fēng)機(jī)的擊中率很高。③風(fēng)機(jī)雖然安裝了雷電防護(hù)裝置，但是相對于固定對象的防雷效果，因風(fēng)機(jī)槳葉處于動態(tài)過程中，因此雷擊的情況更加復(fù)雜，防雷效果比固定對象的防雷效果差。

2 風(fēng)機(jī)防雷技術(shù)現(xiàn)況及存在問題

2.1 風(fēng)機(jī)防雷技術(shù)

目前，針對雷擊的風(fēng)機(jī)防雷技術(shù)主要有直擊雷防護(hù)技術(shù)、等電位連接技術(shù)、接地技術(shù)、內(nèi)部過電壓保護(hù)技術(shù)、屏蔽技術(shù)。

直擊雷防護(hù)技術(shù)：通過對風(fēng)機(jī)進(jìn)行接閃技術(shù)設(shè)計(jì)，將閃電引入和接入地下，從而實(shí)現(xiàn)防雷目標(biāo)。其中接閃的部位一部分是槳葉，還有一部分是風(fēng)機(jī)機(jī)艙。風(fēng)機(jī)常用的接閃方法是在槳葉表面安裝金屬圓盤，然后在槳葉內(nèi)部敷設(shè)一根金屬導(dǎo)體作為接閃引線連接槳葉表面金屬圓盤和槳葉根部。當(dāng)閃電擊中槳葉表面時的金屬圓盤后，閃電電流沿著金屬導(dǎo)體傳導(dǎo)到風(fēng)機(jī)自身金屬結(jié)構(gòu)，最后通過接地裝置釋放電流。除了以上的接閃方法，還可以采用在漿葉表面安裝金屬網(wǎng)的方式，技術(shù)原理是相同的。另外，風(fēng)機(jī)機(jī)艙外部有金屬皮膚，有一定的厚度，這樣就能夠與槳葉表面的金屬圓盤或金屬網(wǎng)構(gòu)建起一個法拉第籠結(jié)構(gòu)，只要符合等電位連接的要求就能夠起到抵御雷擊的效果。為了避免風(fēng)速風(fēng)向儀遭受雷擊，可采用在風(fēng)速風(fēng)向桿上安裝避雷針的方法，風(fēng)速風(fēng)向桿與風(fēng)機(jī)機(jī)艙底板連接，能夠起到傳輸雷電流的作用。

等電位連接技術(shù)：該技術(shù)又可以細(xì)分為兩種類型，一種是跨接位置相對固定的部件連接，如風(fēng)速風(fēng)向桿和風(fēng)機(jī)機(jī)艙的連接、風(fēng)機(jī)筒塔內(nèi)的法蘭跨連接、機(jī)艙配電柜等裝置與機(jī)艙金屬框架的連接；另一種是跨界位置相對運(yùn)動的部件連接，如風(fēng)機(jī)輪轂和風(fēng)機(jī)機(jī)艙的連接、風(fēng)機(jī)軸承與風(fēng)機(jī)機(jī)艙的連接、風(fēng)機(jī)輪轂與漿液的連接。前一種類型可采用銅編織導(dǎo)線進(jìn)行連接，過渡電阻不超過0.03 Ω。后一種類型相對復(fù)雜，不僅不能影響部件之間的相對運(yùn)動，還要實(shí)現(xiàn)防雷效果，保障高幅值電流從部位之間通過。通過在機(jī)艙內(nèi)部的軸承部位、齒輪箱部位以及機(jī)艙底座之間安裝絕緣層，防止雷電流串通。目前多采用建立模型的方法來保障電阻滿足防雷技術(shù)要求。

接地技術(shù)：電氣設(shè)備是風(fēng)機(jī)遭受雷擊的重要部位之一，主要的原因是因雷電流接地過程中引起地電位瞬間上升，從而引發(fā)電氣設(shè)備故障。如果接地電阻過大，還會破壞避雷器，因此接地技術(shù)是風(fēng)機(jī)防雷的重要技術(shù)之一。風(fēng)機(jī)接地技術(shù)主要遵循電氣行業(yè)以及建筑行業(yè)的防雷設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)其中的相關(guān)技術(shù)要求來確定接地電阻值范圍。接地技術(shù)中除了對風(fēng)機(jī)接地電阻的數(shù)值范圍有要求以外，還要考慮電感和電容的分布情況。目前由于閃電電流的頻譜整體較高，因此在風(fēng)機(jī)防雷設(shè)計(jì)中多采用接地系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)技術(shù)作為輔助。另外，在安裝接地裝置后，經(jīng)常會遇到土壤電離的情況，這會導(dǎo)致接地裝置的電氣特性更加復(fù)雜，可采用電磁分布仿真模擬技術(shù)，通過模擬所在區(qū)域內(nèi)的電磁場分布情況，為電機(jī)防雷設(shè)計(jì)和安裝提供依據(jù)。在技術(shù)設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程中，如果遇到接地電阻不能滿足技術(shù)規(guī)范要求的情況，技術(shù)人員可以考慮使用降阻劑來改善接地電阻。通過在水平接地極的周圍區(qū)域添加降阻劑，使周圍所在區(qū)域的土壤電阻系數(shù)降低，有利于降低土壤電阻。另外，在地質(zhì)條件允許的情況下，技術(shù)人員可采用深井法來降低接地電阻。深井的口徑為100～ 110 mm，深度為30 mm，用鋼管作為垂直接地電極，同時對土壤進(jìn)行降阻劑灌漿處理，實(shí)現(xiàn)較好的接地降阻效果。沿海地區(qū)的接地裝備必須考慮防腐性能，可采用銅包鋼的方式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材作為接地地極，還可以對外露的金屬部位進(jìn)行防腐涂層處理，避免設(shè)備腐蝕，縮減壽命。

內(nèi)部過電壓保護(hù)技術(shù)：因雷電效應(yīng)產(chǎn)生的過電壓對風(fēng)機(jī)內(nèi)部電氣線路或終端設(shè)備會造成破壞，因此采取內(nèi)部過電壓保護(hù)措施十分必要?？刹捎迷谳旊娋€路中安裝避雷器的辦法或者降低輸電桿塔接地電阻的辦法。研究人員對風(fēng)電廠電纜集電系統(tǒng)的過電壓變化情況建立了分析模型，結(jié)果表明暫態(tài)過電壓的數(shù)值及變化情況與電感性負(fù)載有著密切關(guān)系。根據(jù)雷電擊中風(fēng)機(jī)時對風(fēng)機(jī)塔筒電路模擬模型的分析，得到風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部感應(yīng)電場和磁場的分布情況，以此來優(yōu)化風(fēng)機(jī)機(jī)組設(shè)備部件的安裝區(qū)域，盡量將機(jī)組內(nèi)敏感的電氣設(shè)備和元件安裝在雷電電場和磁場分布最弱的區(qū)域，以減少雷擊對這些敏感電氣設(shè)備的干擾和破壞。風(fēng)機(jī)遭遇雷擊時，箱變的輸入和輸出端電位差異大，對此可采取電涌保護(hù)裝置來減弱或避免雷擊危害。

屏蔽技術(shù)：由于風(fēng)機(jī)機(jī)組本身并不是完整的雷擊屏蔽體，因此機(jī)身上存在的孔洞或縫隙極容易引發(fā)風(fēng)機(jī)塔筒和機(jī)艙內(nèi)部的電磁耦合現(xiàn)象，從而導(dǎo)致機(jī)艙內(nèi)部金屬回路內(nèi)形成感應(yīng)過電流，對機(jī)身內(nèi)部設(shè)備造成損壞。對此可采用安裝屏蔽層的辦法，降低電路傳輸過程中的電磁感應(yīng)過電壓和過電流，使感應(yīng)過電壓變化由劇烈轉(zhuǎn)變?yōu)槠骄?，降低或避免對機(jī)艙內(nèi)部設(shè)備的損壞。

2.2 防雷技術(shù)存在的問題

雷電直擊的防護(hù)技術(shù)中，采用的方法是在風(fēng)機(jī)槳葉表面安裝金屬圓盤或者金屬網(wǎng)，這種方式雖然能夠起到一定的防雷效果，但是由于風(fēng)機(jī)槳葉的型號越來越大，而金屬圓盤或金屬網(wǎng)的面積較小，因此在實(shí)際應(yīng)用中，會出現(xiàn)閃電不能準(zhǔn)確集中槳葉表面金屬圓盤或金屬網(wǎng)的情況，此時槳葉仍然會受到雷擊損害。另外，由于槳葉存在動態(tài)旋轉(zhuǎn)特征，因此槳葉表面接閃的過程更加復(fù)雜，以動態(tài)的機(jī)理來進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度不高。研究人員發(fā)現(xiàn)槳葉接閃器的形狀和風(fēng)機(jī)槳葉葉片的旋轉(zhuǎn)都與槳葉葉尖的電荷分布情況有關(guān)，也影響接閃效果。研究人員建立了風(fēng)機(jī)葉片接閃模型，希望通過建立模型得到槳葉葉片防雷效率的計(jì)算公式。目前，有研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)槳葉葉片接近水平方向時，雷電流幅值更小，葉片防雷效率更低，反之葉片防雷效率更高。因此在安裝接閃裝置時，同時調(diào)整葉片方向，以更好地提升防雷效率。另外，自然界的雷電流情況一般包含多次回?fù)暨^程，與實(shí)驗(yàn)室使用的脈沖測試電流有差別，因此采取實(shí)驗(yàn)室模擬雷擊條件仍然需要精細(xì)化。目前，國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了多脈沖發(fā)生裝置，用以模擬多脈沖自然閃電，這給風(fēng)機(jī)防雷技術(shù)測試帶來了福音。

3 風(fēng)機(jī)防雷技術(shù)發(fā)展

隨著風(fēng)機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，風(fēng)機(jī)防雷技術(shù)也進(jìn)入更深入和精細(xì)化的研究階段。從以往的實(shí)驗(yàn)室模擬雷電的研究方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐巴獾娘L(fēng)機(jī)防雷實(shí)驗(yàn)。通過建立野外雷電試驗(yàn)基地，研究風(fēng)機(jī)遭遇雷擊的電壓、電流、電場、磁場情況。對風(fēng)機(jī)防雷技術(shù)參數(shù)進(jìn)行更精細(xì)的分析和研究。通過人工觸發(fā)閃電技術(shù)為風(fēng)機(jī)防雷創(chuàng)建有利條件，使防雷試驗(yàn)條件更接近自然雷電。另外，除了接閃的思路以外，主動避雷的思路也是風(fēng)機(jī)防雷技術(shù)研究的一個重要方向。通過開發(fā)風(fēng)機(jī)雷電預(yù)警系統(tǒng)，借助氣象預(yù)測技術(shù)、信息數(shù)據(jù)技術(shù)，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組所在區(qū)域的氣象變化信息來合理調(diào)控風(fēng)機(jī)的啟閉，當(dāng)雷暴云來臨時，風(fēng)機(jī)停止，同時控制槳葉葉片位于不容易接閃的位置，降低風(fēng)機(jī)遭受雷擊的概率。

4 結(jié)語

風(fēng)電廠設(shè)備故障的誘因之一是遭受雷擊。為了更好地保障風(fēng)機(jī)設(shè)備安全運(yùn)行，采取科學(xué)合理的防雷技術(shù)十分必要。本文對風(fēng)機(jī)防雷技術(shù)及發(fā)展情況進(jìn)行了論述，旨在推動風(fēng)機(jī)防雷技術(shù)水平提升，為風(fēng)電廠安全高效運(yùn)營創(chuàng)建良好條件。

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TM315；TM863

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.062

2095－6835（2021）01－0155－02

鄧橋（1987—），男，碩士研究生，工程師，電氣一次專責(zé)，研究方向?yàn)楦唠妷航^緣與雷電防護(hù)。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕