風(fēng)電機(jī)組的雷電防護(hù)

風(fēng)電機(jī)組的雷電防護(hù)2011-10-1415:25:00|來源：本站|瀏覽：28次|評論：0條|點擊收藏風(fēng)力是最環(huán)保清潔的能源，所以風(fēng)電機(jī)組得到廣泛應(yīng)用。風(fēng)力機(jī)額定功率迅速的增加使風(fēng)塔的高度和體積增加，同時由于風(fēng)力機(jī)安置在孤立或高海拔地區(qū)，風(fēng)場風(fēng)機(jī)的雷擊損壞是不可避免的。因此研究風(fēng)電機(jī)組葉片以及電力和控制設(shè)備的防雷極其重要。本文探討風(fēng)電機(jī)組的綜合防護(hù)方法，以為風(fēng)電和防雷行業(yè)拋磚引玉。關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；雷害；防雷引言我國的風(fēng)電場從年平均雷電日較少的新疆和內(nèi)蒙開始發(fā)展，當(dāng)初是450kW級以下的風(fēng)力機(jī)，因此雷害并不突出。目前MW級的大功率風(fēng)電機(jī)成為風(fēng)場的主機(jī)型，大功率風(fēng)電機(jī)的風(fēng)塔高度已經(jīng)超過120m，是風(fēng)場中最高大的構(gòu)筑物，在風(fēng)電機(jī)組的20年壽命期內(nèi)，總會遭遇到幾次雷電直擊。今后我國將大力發(fā)展2.5MW級以上的風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)電機(jī)組還將設(shè)置在蘇北沿海、華南，甚至設(shè)置海上風(fēng)場。因此風(fēng)電機(jī)組的雷害問題引起了風(fēng)電行業(yè)從業(yè)人員的重視。風(fēng)電機(jī)組的防雷被提到風(fēng)電研發(fā)人員的議事日程。國際電工委員會IEC第88工作委員會（IECTC88）在編制風(fēng)電機(jī)組系列標(biāo)準(zhǔn)IEC61400時，編制了—個技術(shù)報告（TR），作為IEC61400系列標(biāo)準(zhǔn)的24部分于2002年6月出版。該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)由我國風(fēng)標(biāo)委等同采用上報為國家標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)時 IEC是想為這個相對年經(jīng)的工業(yè)提供雷電和防雷知識。該標(biāo)準(zhǔn)提供了—些風(fēng)力機(jī)雷害的背景資料，也提供了最實用的防雷指導(dǎo)。在幾年的實踐中證明了該技術(shù)報告對防止和減少風(fēng)電機(jī)組的雷害是有效的。 近年來，全世界清潔能源發(fā)展勢頭越來越猛，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅速向大功率風(fēng)力機(jī)發(fā)展，并且更加繁榮和更加成熟，風(fēng)場向外海設(shè)置，使雷害的問題比2002年以前更加復(fù)雜和突出。因此IEC第88工作委員會正在制定一個作為風(fēng)電機(jī)組防雷標(biāo)準(zhǔn)的文件供風(fēng)電行業(yè)人員使用。 將IEC61400由技術(shù)報告（TR）升級為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（TS）。1風(fēng)電機(jī)組的雷害2006年，IEC的TC81發(fā)布了系列標(biāo)準(zhǔn)IEC62305《雷電防護(hù)》。它主要是建筑物及建筑物內(nèi)的電氣電子設(shè)備的防雷規(guī)則，對于風(fēng)電機(jī)組，其基本原則可以采用，但具體的防護(hù)方法則需要根據(jù)風(fēng)機(jī)和風(fēng)場的特點確定，這也是IEC第88工作委員會第24項目組編制新的風(fēng)電機(jī)組防雷的原因。IEC第88工作委員會第24項目組認(rèn)為，風(fēng)電機(jī)組的雷害是其它建筑物不曾有的， 因為：風(fēng)電機(jī)組是高度超過150m的高大構(gòu)筑物；——風(fēng)電機(jī)組常常布置在非常容易受到雷擊的場地；風(fēng)電機(jī)組的許多暴露部件，如葉片和機(jī)艙蓋往往由不能承受直擊雷或傳導(dǎo)直擊雷電流的復(fù)合材料制成；——葉片和機(jī)艙是轉(zhuǎn)動的；——雷電流必須通過風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)到大地， 因此，實際上大部分雷電流將流經(jīng)或靠

近所有的風(fēng)力機(jī)部件?！L(fēng)電場中的風(fēng)電機(jī)組往往位于接地條件不好的區(qū)域。直擊雷可以使風(fēng)輪葉片遭到損毀。雷電電磁脈沖等非直接雷擊可以使發(fā)電機(jī)、變壓器、變頻器等電氣設(shè)備和控制、通信、SCADA等電子系統(tǒng)等災(zāi)難性損壞。也有極個別的輪轂、齒輪箱、液壓系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)及機(jī)械制動器等遭到雷擊損壞。在2008到2009年期間，我國的風(fēng)機(jī)雷害也開始顯現(xiàn)，筆者在風(fēng)場，親眼看見了風(fēng)機(jī)葉片，變頻器以及控制、通信、SCADA等電子系統(tǒng)受雷害造成經(jīng)濟(jì)損失的情景。按照雷害次數(shù)統(tǒng)計，控制系統(tǒng)、傳感器、通信、SCADA等弱電部件的雷害概率較大，這是因為這些弱電器件的耐過電壓和過電流的能力較弱，雷電電磁脈沖—即雷電感應(yīng)過電壓會使其損壞，但由于維修方便，直接和間接經(jīng)濟(jì)損失與風(fēng)輪葉片比較不算很大。風(fēng)輪葉片在直擊雷襲擊的時可能會損毀，直擊雷概率較小，風(fēng)輪葉片遭到直擊雷襲擊的概率更小，但葉片一旦遭到雷擊，損壞就會比較嚴(yán)重，葉片維修和恢復(fù)都很費事，離岸和在邊遠(yuǎn)地區(qū)設(shè)置的風(fēng)機(jī)，運輸物資極其困難，維修人員的開銷很大，同時風(fēng)電場停止運行的收入損失也是巨大的。因此，風(fēng)輪葉片的雷害造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失都是巨大的，所以葉片的雷害最引人關(guān)注。根據(jù)雷電機(jī)理，雷云在風(fēng)場上空時，風(fēng)力機(jī)容易形成上行雷，與上行雷相關(guān)的起始連續(xù)電流轉(zhuǎn)移的電荷量可以高達(dá) 300C,風(fēng)力機(jī)高度增加上行雷造成的風(fēng)力機(jī)雷害也增加，當(dāng)風(fēng)塔高度超過100m時上行雷擊的概率大大升高。據(jù)統(tǒng)計，高度超過60m的建筑物往往會發(fā)生側(cè)擊，即有一部分雷電擊中建筑物側(cè)面而不是建筑物頂部。風(fēng)力機(jī)是高于60m的構(gòu)筑物，所以側(cè)擊概率比建筑物大很多，并造成嚴(yán)重?fù)p害。還有，風(fēng)電機(jī)組都設(shè)置在風(fēng)力強(qiáng)大的地區(qū)，例如海岸、丘陵、山脊等荒郊野地，而這些地區(qū)正是雷電多發(fā)區(qū)，風(fēng)電機(jī)組設(shè)置在高于周圍地區(qū)的制高點，并且遠(yuǎn)離其它高大物體，因此它更加能吸引雷電。葉片雷擊損毀嚴(yán)重的一個主要原因是現(xiàn)代大型風(fēng)力機(jī)的葉片用不能傳導(dǎo)雷電流的復(fù)合材料制成，例如玻璃纖維增強(qiáng)塑料或木材層壓板，我國現(xiàn)在開始用竹纖維層壓板。在葉片未加防護(hù)時，一旦被雷電擊中就會造成損壞。因此，必須對這類葉片采取防雷措施。風(fēng)電機(jī)組還是不斷旋轉(zhuǎn)運動的機(jī)械，于是又出現(xiàn)了一個特殊問題——雷擊的風(fēng)險出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)葉片上多處，并且不止一個葉片遭到雷擊。我們知道雷擊的連續(xù)性，即一次閃電包含有幾個不連續(xù)的雷擊，一次閃電的持續(xù)時間達(dá)到1s電的持續(xù)時間達(dá)到1s。這一時間足以使多個葉片暴露在雷擊中（例如一個3葉片的風(fēng)力機(jī)以20rpm的速度旋轉(zhuǎn)，那么每葉片的運動速度就為 120°/s）。雷電流通過整個風(fēng)力機(jī)構(gòu)筑物入地，包括槳距軸承、輪轂和主軸軸承、齒輪、發(fā)動機(jī)軸承、特別是在滾輪和滾道之間以及底座、偏航軸承和塔架。雷電流流經(jīng)齒輪和軸承可使其損壞，齒輪與輪齒間有潤滑層時。機(jī)艙外殼都是用玻璃纖維增強(qiáng)塑料或碳纖維合成材料做成， 也有遭到雷擊的可能，它們也應(yīng)當(dāng)采取防直接雷擊措施。風(fēng)力機(jī)在設(shè)計時一定要考慮葉片、 機(jī)艙的直擊雷防護(hù)和發(fā)電機(jī)、變壓器、變頻器等電氣設(shè)備和控制、通信、SCADA等敏感電子設(shè)備的2葉片的防雷風(fēng)機(jī)的葉片幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雷電來時，葉片完全暴露在直擊雷下，物復(fù)它的防雷比其它構(gòu)筑雜。沿著同一電離路徑的整個放電過程稱為閃電，其持續(xù)時間可以達(dá)到1s以上。云中先導(dǎo)與風(fēng)機(jī)迎面先導(dǎo)匯合形成完整的雷擊。 風(fēng)場葉片上發(fā)生的上行雷為多， 其原因就是地面突出導(dǎo)物有先導(dǎo)向上發(fā)展，成為雷閃的主流。圖1說明風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)生向上先導(dǎo)與云中先導(dǎo)匯合形成對風(fēng)機(jī)葉片雷擊的示例。雷擊葉片后，雷電流將從雷擊點通過葉片——塔基—接地系統(tǒng)入地。雷電流流經(jīng)葉片，可以產(chǎn)生熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)，流經(jīng)機(jī)艙和風(fēng)塔時，強(qiáng)大輪轂—機(jī)艙—風(fēng)塔的雷電流誘發(fā)的雷電電磁脈沖可以對電氣系統(tǒng)和電子設(shè)備造成危害。雷電擊中風(fēng)電機(jī)組的入侵點稱為雷擊點，一般，雷閃打在葉片的接閃器（ receptor）處，圖2是雷擊葉片的照片，雷電流由雷擊點流入風(fēng)電機(jī)組，這時，造成的典型損壞是：（1）葉片表面復(fù)合材料開裂和灰化，以及雷擊點的金屬部件燒毀或熔化（開裂是機(jī)械損壞、灰化則是熱效應(yīng)的結(jié)果）。2）雷電在葉片內(nèi)部形成電?。ㄟ@時，風(fēng)力機(jī)葉片的損壞最為嚴(yán)重，空氣中的電弧會存在于葉片內(nèi)的空洞和葉片表面，這種屬于電氣損壞）。（3）另一種損壞是雷電流傳到復(fù)合材料層之間時，因為層間有些潮氣，內(nèi)部電弧加熱潮氣引起壓力沖擊使葉片爆裂或使葉片表面沿著前后緣和葉片承載梁處撕裂損壞 （小至葉片表面發(fā)生裂紋，大到葉片完全碎裂）。有時，壓力波會通過輪轂從受雷擊的葉片傳到其它的葉片上而引起損壞（熱效應(yīng)和機(jī)械損壞）。（4）在葉尖雷擊點和導(dǎo)體部件之間常會形成內(nèi)部電弧。有葉尖剎車的葉片的損壞常局限在葉尖部分，而葉片主體保持完好。當(dāng)葉片主體內(nèi)部形成電弧時，?？煽匆娪腥~尖剎車的葉片主體的損壞。在控制葉尖剎車的鋼絲沒有足夠的截面積將雷電流從軸尖傳遞到輪轂時，經(jīng)常會發(fā)生葉片主體損壞的情況。對于有副翼的葉片來說，葉片就會完全毀壞。因此，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)葉片嚴(yán)重?fù)p壞的原因是葉片內(nèi)部的雷電弧周圍形成了壓力沖擊波。當(dāng)雷電弧在葉片外表面形成或當(dāng)傳遞雷電流的金屬部件的截面積足夠大時，風(fēng)力機(jī)葉片的損壞會比較小。下面有兩個例子，一個是美國 Texas南風(fēng)場雷害，一個是日本北海道某風(fēng)場冬雷雷害。美國Texas南風(fēng)場內(nèi)風(fēng)力機(jī)輸出功率 1.5MW發(fā)電機(jī)葉片由玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)成。葉片內(nèi)部采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料包裹在玻璃纖維上形成加強(qiáng)橫梁， 并采用多層有絕對強(qiáng)度的聚氨酯/玻璃纖維作為內(nèi)部層，耐應(yīng)力的效果相當(dāng)好。該地雷閃密度為每年每平方公里 5至6個，2006到2008年3年中，該場5%的風(fēng)力機(jī)葉片被雷擊損壞， 2008年年4月6日雷電將155號機(jī)的4608號葉片完全擊壞（葉片解體，導(dǎo)流線截斷），美國國家雷電監(jiān)測網(wǎng)報道雷擊時刻（08:36'38〃）記錄的該地雷電電流為 10kA。比較起來，這次雷擊雷電流不算大，但葉片的損壞相對卻十分嚴(yán)重。 美國國家雷電研究所（NationalLightningSafetyInstitute—NLSI）,2008年6月對該例的研究認(rèn)為，導(dǎo)雷線未達(dá)到設(shè)計水平，葉片內(nèi)部的空氣和水氣在大雷電流流過時氣化和膨脹產(chǎn)生機(jī)械力，是這次葉片損毀的主要原因。在研究中發(fā)現(xiàn)，該廠葉片葉尖有一個“接閃器”。雷擊接閃器后，大電流進(jìn)入葉片，由于瞬時雷電流達(dá)到10kA，雷電流從接閃器進(jìn)入后沿“導(dǎo)雷線”入地網(wǎng)，瞬時電流產(chǎn)生了 25000C以上的高溫，使得“導(dǎo)雷線”熔斷，同時將葉片內(nèi)殘存的水汽加熱，水汽急劇膨脹使葉片爆裂。日本北海道某風(fēng)場在2006年12月6日一次冬雷時，一臺1000kW風(fēng)機(jī)測得的雷電電荷為739C，但風(fēng)機(jī)未被擊壞。這臺風(fēng)機(jī)在葉片上部裝有碟形接閃器，導(dǎo)流線可以傳導(dǎo)上百千安的電流而無機(jī)械損壞。松下公司在 2006年做了葉片大電流室內(nèi)試驗。將模擬雷電流加到長度為29?5m的葉片，葉片上部裝有幾個碟形接閃器和棒型接閃器。 試驗中發(fā)現(xiàn)，施加正沖擊電壓時，接閃器的接閃率為100%，施加負(fù)沖擊電壓時，接閃器的接閃率也有 70%，其余的電流直接流向引下線。松下也做過有接閃器和無接閃器的對比試驗，葉片無接閃器時，由此可知，風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)機(jī)中最暴露的部分，必須加以防護(hù)。對葉片的保護(hù)是否足夠，應(yīng)當(dāng)看其設(shè)計和安置葉片接閃器系統(tǒng)后能有效的截獲雷電，以及導(dǎo)流系統(tǒng)能疏導(dǎo)100kA以上的雷電流（我國西北雷害較少的地區(qū)可以不這樣考慮）。關(guān)于葉片的防雷應(yīng)當(dāng)采取以下措施：（1）.葉片應(yīng)當(dāng)導(dǎo)電：雷擊時，葉片接受并將大電流導(dǎo)入大地，否則強(qiáng)大的雷電流將會損毀葉片。若葉片中含有導(dǎo)電的部分，則導(dǎo)電部件可能將雷擊電流引導(dǎo)到軸心，以防止葉片內(nèi)部產(chǎn)生弧光放電。導(dǎo)電的部件可以為葉片的外框或葉面。在德國、丹麥、日本、美國的一項廣泛的研究表明，帶有內(nèi)置導(dǎo)體的葉片可以大大降低葉片結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞的可能性。（2）葉片有多個接閃器：研究說明，安裝有內(nèi)置防雷系統(tǒng)的長條形葉片容易受到雷電的襲擊，雷擊點不一定是安裝在葉尖的接閃器。因此需要安裝多個接閃器，這樣比在葉尖設(shè)置單個接閃器更容易截獲雷電，為葉片提供更優(yōu)良的保護(hù)。短于30m的葉片在每一片葉尖上至少應(yīng)安裝一個接閃器。長于30m的風(fēng)葉，應(yīng)安裝多個接閃器，接閃器可以是碟形和柱形。3風(fēng)機(jī)其它部件的防雷和綜合接地系統(tǒng)（1）機(jī)艙和其它構(gòu)件：風(fēng)力機(jī)機(jī)艙和其它構(gòu)件（如輪轂、塔架）的防雷，應(yīng)當(dāng)有接閃能力，盡可能使用大的金屬構(gòu)件作接閃器。還要將金屬構(gòu)件做等電位連接， 將雷電流傳導(dǎo)到接地系統(tǒng)。機(jī)艙上氣象儀表、航空燈等的避雷針、引下線以及搭接線的尺寸要滿足 IEC62305-3的要求。總之，機(jī)艙和其它構(gòu)件的防雷可以直接采用 IEC62305系列標(biāo)準(zhǔn)所描述的方法。風(fēng)力機(jī)應(yīng)當(dāng)劃分為若干防雷區(qū)LPZ,設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)計算雷電風(fēng)險水平， 并根據(jù)等電位搭接、電磁屏蔽和采用SPD等設(shè)計防雷系統(tǒng)。（2）機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)的防雷非常重要， 因為風(fēng)力機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)有巨大的轉(zhuǎn)動軸承、 傳動軸、齒輪、液壓和電氣執(zhí)行系統(tǒng)，在雷電擊中葉片時，它們都處于雷電流的徑路上，巨大的雷電流可以使其受到機(jī)械損壞。機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)的所有部件都要經(jīng)受住雷電流或運動部件間的雷電弧而不受損害，例如，軸承和執(zhí)行機(jī)構(gòu)用滑動接觸器或火花間隙進(jìn)行防護(hù)。這些部件設(shè)計成可以將雷電流從被保護(hù)部件上轉(zhuǎn)移或減少雷電流流經(jīng)部件的數(shù)值，直到該雷電流小到部件可以承受的水平。（3）電氣系統(tǒng)、電子系統(tǒng)風(fēng)力機(jī)的電氣系統(tǒng)、電子系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)經(jīng)受住由于雷電產(chǎn)生的雷電電磁脈沖（LEMP）而不損壞。雷害統(tǒng)計顯示，大多數(shù)雷害與風(fēng)機(jī)的電氣系統(tǒng)、電子系統(tǒng)有關(guān)。電氣系統(tǒng)、電子系統(tǒng)的LEMP的防護(hù)措施（LPMS）應(yīng)能消除或避免這些系統(tǒng)的雷害。應(yīng)當(dāng)采用 IEC62305-4的防護(hù)區(qū)的綜合防護(hù)概念采取接地、搭接、電磁屏蔽和合理布線、安裝能量協(xié)調(diào)一致的SPD等措施。（4）綜合接地系統(tǒng)風(fēng)塔地基應(yīng)當(dāng)有一個接地系統(tǒng)，該系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)葉片遭直擊雷后的雷電流通道，也是其他系統(tǒng)SPD的接地點。各風(fēng)塔間的接地系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)相互連接構(gòu)成綜合接地系統(tǒng)，各風(fēng)塔間的地線也是電纜的接地保護(hù)線。國外經(jīng)驗證明，綜合接地系統(tǒng)的防雷效果比獨立的風(fēng)塔接地系統(tǒng)好很多。4結(jié)束語雷害對風(fēng)電機(jī)組的負(fù)面影響越來越受到風(fēng)電行業(yè)的重視，可以預(yù)見，在風(fēng)電機(jī)組容量增大和機(jī)身高度增