防雷案例

风电机组的雷击机理与防雷技术

摘 要：随着风电机组单机容量和风电场规模的增大，风电场的安全运行问题日益受到重视。在影响风电场安全运行的诸多因素中，遭受雷击是一个重要方面。本文结合风电机组防雷的研究成果，对风电机组的雷击过程、雷击损坏机理以及防雷措施进行了较全面的阐述。 关键词：风电机组；雷击；保护1 引言随着人们对可再生能源利用价值认识的提高，以及风电机组制造、控制和其它相关技术的不断进步，风力发电在近十几年来的发展非常迅速，到2001年底全世界的风电总装机容量已超过24GW[1]。与此同时，风电机组的单机容量和风电场的总装机容量也不断增长，因此风电场的安全运行问题也越来越受到人们的关注。影响风电场安全运行的因素很多，其中遭受雷击是一个非常重要的方面。随着单机容量的增大，风电机组的塔筒越来越高，再加上大型风电机组一般安装于开阔地带或山地，因此风电机组遭受雷击的概率也较大。以德国风电场遭受雷击的情况为例。德国风电部门对近年来该国风电机组的故障情况进行了统计，其中1992~1999年间风电机组雷击事故情况如表1所示[2]。由表可见，多年以来德国风电场每100风机年的雷击数基本维持在10 %左右。另外，调查结果还表明，在所有引发风电机组故障的因素中，外部因素（如风暴、结冰、雷击以及电网故障等）占16 %以上，其中雷击事故约占4%。由于雷电现象具有非常大的随机性，因此不可能完全避免风电机组遭受雷击，只能在风电机组的设计、制造和安装过程中，采取防雷措施，使雷击造成的损失减到最小。本文从雷电发生的机理和雷击过程入手，对风电机组的防雷技术进行了阐述分析。2 雷击损坏机理雷电现象是带异性电荷的雷云间或是带电荷雷云与大地间的放电现象。风电机组遭受雷击的过程实际上就是带电雷云与风电机组间的放电。在所有雷击放电形式中，雷云对大地的正极性放电或大地对雷云的负极性放电具有较大的电流和较高的能量[3,4]。雷击保护最关注的是每一次雷击放电的电流波形和雷电参数。雷电参数包括峰值电流、转移电荷及电流陡度等。风电机组遭受雷击损坏的机理与这些参数密切相关。（1）峰值电流当雷电流流过被击物时，会导致被击物温度的升高，风电机组叶片的损坏在很多情况下与此热效应有关。热效应从根本上来说与雷击放电所包含的能量有关，其中峰值电流起到很大的作用。当雷电流流过被击物时（如叶片中的导体）还可能产生很大的电磁力，电磁力的作用也有可能使其弯曲甚至断裂。另外，雷电流通道中可能出现电弧。电弧产生的膨胀过压与雷电流波形的积分有关，其燃弧过程中的强烈高温将对被击物产生极大的破坏。这也是导致许多风电机叶片损坏的主要原因。（2）转移电荷物体遭受雷击时，大多数的电荷转移都发生在持续时间较长而幅值相对较低的雷电流过程中。这些持续时间较长的电流将在被击物表面产生局部金属熔化和灼蚀斑点。在雷电流路径上一旦形成电弧就会在发生电弧的地方出现灼蚀斑点，如果雷电流足够大还可能导致金属熔化[5]。这是威胁风电机组轴承安全的一个潜在因素，因为在轴承的接触面上非常容易产生电弧，它就有可能将轴承熔焊在一起。即使不出现轴承熔焊现象，轴承中的灼蚀斑点也会加速其磨损，降低其使用寿命。（3）电流陡度风电机组遭受雷击的过程中经常发生控制系统或电子器件的损坏，其主要原因是感应过电压的存在。感应过电压与雷电流的陡度密切相关，雷电流陡度越大，感应电压就越高。3 风电机组雷击频率和雷击位置为了实施有效的雷击保护，需要事先对雷击频率和雷击位置进行预测，从而使雷击保护更有针对性。通常用雷击高层建筑的频度估算方法来估计雷击风电机组的频度[3]。对于高度低于60 m的建筑物，其雷击频度为式中 Ng为年平均落雷密度，表示在所考虑的建筑物所在区域内每年每平方公里的雷击次数；Ae为建筑物的等效面积，m2。某建筑物的等效面积是指与该建筑物遭受直击雷的频率相同的地表面积，其等值半径为建筑物高度的3倍。以一个50m高的建筑物为例，假定该建筑物位于一相对平整的地面上且远离其它建筑物，则其等效面积为对于叶尖带防雷保护的风电机组，在计算Ae时其高度应为最大叶尖位置与地面之间的距离。对于叶尖没有保护的情况，其有效高度介于该值与机舱到地面距离之间的值。以上计算方法仅限于低于60m的风电机组。对于高于60m的风电机组，按式(2)计算得到的结果则偏低。估计雷云对大地放电的可能雷击点的位置，可以应用“滚球法”的简化方法。尽管雷击放电具有很大的分散性，“滚球法”得到的结果可能与实际情况存在一定的误差[6]，但该方法还是普遍应用于接地建筑物的防雷设计。IEC标准给出了对应于特定防护水平的滚球半径的大小[7]。将此方法应用于风电机组，则可以推知叶片的大部分、轮毂、机舱的尾部以及部分塔筒均可能成为雷击放电点[3]。图1给出了几种典型的雷击风电机组时可能的放电位置示意图[3]。发生雷云对大地放电时，雷电很容易击中叶尖，但也有可能击中叶片的侧面或叶片的绝缘部分甚至内部导体。大地对雷云的放电是从顶端开始形成的，非常强烈地表现在叶尖和其它外部突出的点，如机舱上的避雷针、机舱前端和轮毂等部位。如果叶片具有叶尖防雷保护，则向上发展的雷击放电也将集中在叶尖上。由此可见，风电机组遭受雷击时，其雷击点可能分布在机组的许多部位。4 风电机组的防雷4.1 风电机组机械部件的防雷4.1.1 叶片防雷风电机组的叶片中，有的叶片并没有设置内部导电体或进行表面金属化处理，仅是纯粹的玻璃增强塑料（GRP）结构或GRP–木结构。运行经验表明，这种类型的叶片经常遭受雷击，并且通常是灾难性的[3]。为此，应在物理结构上采取防雷措施[8,9]，以减小叶片遭受雷击时的损伤。