防雷技术

风电机组的雷击机理与防雷技术

中国电力科学研究院 赵海翔 王晓蓉

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%。表1    德国风电机组雷击事故统计（1992-199年）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Nd -Ng ×A e ×10-6 （2）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A e =πr2 =π（50×3）2 =70650m2 （3）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。（1） 无叶尖阻尼器的叶片防雷结构（图2）对于无叶尖阻尼器的叶片，一般是在叶尖部分的玻璃纤维外表面预置金属化物作为接闪器，并与埋置于叶片内的铜导体相连（铜导体与叶根处的金属法兰连接）。外表面金属化物可以采用网状或箔状结构。雷击可能会对这样的表面造成局部熔化或灼蚀损伤，但不会影响叶片的强度或结构。（2）有叶尖阻尼器的叶片防雷结构（图3）对于有叶尖阻尼器的叶片，通常是在叶尖部分的玻璃纤维中预置金属导体作为接闪器，通过由碳纤维材料制成的阻尼器轴与用于启动叶尖阻尼器的钢丝（启动钢丝与轮毂共地）相连接。这样的结构通过了200kA的冲击电流实验，叶片没有任何损伤[9]。可以预见，这样的叶片遭受雷击的概率要比绝缘材料制成的叶片高，但只要满足下列条件就不会造成很大损伤：①雷击点处的电弧灼烧不产生严重的破坏；②雷电流可以安全地通过导电构件导入地下。这就要求导电构件需要有足够的强度和横截面积。4.1.2 轴承保护一般情况下，雷击叶片时产生的大部分雷电流都将通过低速主轴承导入塔筒。这比雷电流沿着主轴流向风电机组的发电机要好得多。通过轴承传导的强大雷电流通常会在轴承接触面上造成灼蚀斑点，但由于轴承的尺寸较大使得雷电流密度较小，所以雷击损伤还不至于立刻对风电机组运行造成影响，但能够引起噪声、振动和增大机械摩擦等，从而导致缩短轴承的使用寿命[3,5]。有些轴承具有绝缘垫层，雷电流通过滑环导入塔筒[5]。这种措施可降低轴承所受损伤的程度，但要消除轴承的潜在问题还是非常困难的，主要原因是与轴承平行的滑环往往只能承载小部分雷电流，而大部分雷电流的流通还需轴承来完成。对偏航轴承也应有类似措施。一般来说，偏航轴承的周边为雷电流提供了一个良好的导电通道。如果出于设计的原因偏航轴承不能导电时，则必须为其建立雷电流通路[3]。4.1.3 机舱防雷[3,5,7,8]如果叶片采取了防雷保护措施，也就相当于实现了对机舱的直击雷防护。虽然如此，也需要在机舱尾部设立避雷针，并与机架紧密连接。如果叶片没有防雷保护，则应在机舱的首尾端同时装设避雷针。对由非导电材料制成的机舱中的控制信号等敏感的线路部分都应有效屏蔽，屏蔽层两端都应与设备外壳连接，而且还要避免形成环路。另外，在机舱表面应布置金属带或金属网，且与机架相连接，为工作人员提供安全保护和一定程度的电屏蔽。装设这种带状保护和附加防护，以及位于机舱前部的避雷针等，在绝缘叶片的情况下是非常必要的。如果机舱是金属制成的，则将机舱与低速轴承和发电机机座相连接，就可以实现很好的安全保护和电屏蔽。提供电气连接的导体应尽量短。4.2 风电机组电气部件的防雷4.2.1 暂态过电压及线路保护对风电机组控制系统造成破坏的暂态过电压，可能是由直击雷或非直击雷引起的。发生在信号线、通讯线和电力线附近的雷击过程，将在这些线路上产生暂态过电压，其幅值可能达到几十千伏。如果一台风电机组遭到雷击，传输到另一台风电机组的暂态过电压的大小与该风电机组的接地状况有关，即使采取了良好的改善措施，其暂态过电压还有可能达到这一数量级[10]，因此建议布置在塔间的信号线采用光纤并连接到实际的控制中心[3]。通信线在进入建筑物处应设置气体放电管加以保护，并通过一低阻抗接地线接地。沿电力线注入的暂态过电压会对线路造成破坏，因此需要使用电涌保护器加以保护。4.2.2 雷电流的直接注入及其防治雷电击中电气元件即雷电流直接注入线路的情况是一种非常严重的雷击现象，将会产生相当大的破坏作用。因此要避免雷电直接击中系统中的传感器件和接线。实现这种保护是比较容易的，用合适的布线方式以及避雷针等均可起到一定的保护作用，像气象仪之类的器件应该用避雷针保护。实际上，风电机组机舱尾部的避雷针就兼作风速、风向仪的支撑杆，这样的布置方式对风速、风向仪的保护是比较有效的。这些仪器的信号线路应该沿着金属构件布置并且加以屏蔽。4.2.3 磁力线耦合及抑制雷击过程将产生快速变化的磁场，在位于机舱内或沿着塔筒的线路中将产生数值较高的过电压，其值可达几十伏甚至几千伏[3]。这样的过电压会损伤电气设备和发电机。这些损伤可能是潜在性的，但在未来的运行过程中可能会引发大的故障。减少感应电压的一般方法有：（1）使信号线路或控制线路尽可能短，并尽可能靠近承载电流的构件；（2）通过设置多个平行的电流通路使各通路的电流水平达到最小，并尽可能将线路靠近电流密度较小的导体。（3）敏感的线路应布置在两端固定的线槽中，如发电机和齿轮箱等部件的线路都应这样处理。总之，要达到最大的防护效果，线路就应该尽可能靠近金属构件布置。由于雷电流具有趋肤效应，所以金属塔筒对其中的线路具有非常好的屏蔽效果。在导线屏蔽且屏蔽层两端与金属构件固定安装的情况下，屏蔽层内部的导线所面对的是一个减小了的电压。对电缆采取这种方法屏蔽，其最大感应电压可以大为降低。4.2.3 电气设备的防雷保护一般情况下，实现远端输入、输出功能的器件都需要进行过电压保护，且防护等级与装置的位置有关。在风电机组中，可能产生感应过电压的区域是：① 机舱内部和穿过偏航轴承的地方；②连接到控制室和配电室的电缆中。位于这些区域任何一端的电气控制设备，都要装设电涌保护器件。对于风电机组控制器中的各电压等级的电源变压器、通信线路，通常可采用金属氧化物压敏电阻以防止过电压；而风电机控制器中的24V直流电源、I/O模块，则采用瞬变电压抑制元件以防止过电压[8,9]。发电机以及其它设备上的传感器通常是与其外包装电气隔离的，只要感应电压不足以破坏其绝缘性能，就没有必要装设避雷器。风电场中使用的电力电缆与变压器相连，而变压器的工作电压相对较高，因此这部分的保护要容易实现一些。在此处安装的保护器件不必在太低的电压下工作，而应能在远低于发电机和变压器绝缘损坏电压时动作。此外，只要铠装两端都接地，电缆铠装就起到对电缆的屏蔽作用[3]。4.3 风电机组的接地良好的接地是保证雷击过程中风电机组安全的必备条件。由于风电场通常会布置在山地且范围非常大，而山地的土壤电阻率一般较高，因此按照一般电气设备的接地方式设计风电机组的接地系统显然不能满足其安全要求。风电机组基础周围事先都要布置一小型的接地网，它由1个金属圆环和若干垂直接地棒组成，但这样的接地网很难满足接地电阻须小于1~2W的要求[9,11]。通常的改善措施是将风电场内所有的机组接地网都连接起来，以降低整个风电场的接地电阻。由于风电场机组间都布置有电力电缆和通信电缆，因此机组接地网的连接实际上可以通过这些电缆的屏蔽层来实现[11]。另外，还可在机组接地网间敷设金属导体，当遭受雷击时可显著降低风电场的地电位升高[10]，也可减轻雷击对电缆绝缘及变压器高低压绕组间绝缘的危害程度。5、结束语雷击是影响风电机组乃至整个风电场安全运行的因素之一。进行风电机组防雷技术的研究是风电研究领域中不可或缺的组成部分，它对保证风电场的安全运行具有重要的意义。本文对风电机组的雷击过程、雷击损坏机理以及防雷技术进行了较全面的阐述。在风电机组的防雷设计中，应根据不同的雷击损坏机理，对叶片、机舱、轴承等机械部件以及信号、控制线路等采取不同的防雷措施。避免叶片等部位直接遭受雷击、选择适当的导体结构、合理设计雷电流路径、降低内部燃弧的可能性以及降低控制和信号线路中的感应电压等措施是达到一定防雷效果的有效途径。另外，合理的接地布置也是风电机组防雷设计的重要组成部分，也应予以足够的重视。参考文献[1] Global wind energy market report[DB/OL]．2002，3．http://www.awea. org/pubs/documents/GlobalWEMarket2002.pdf．[2] Wind turbine operation：causes for failure[DB/OL]．http://euwinet.iset.uni-kassel.de．[3] Expert group study on recommended practices for wind turbine texting and evaluation：lightning protection for wind turbine installations 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