風電機組的雷擊機理與防雷技術

中國電力科學研究院 趙海翔 王曉蓉

摘 要：隨著風電機組單機容量和風電場規模的增大，風電場的安全運行問題日益受到重視。在影響風電場安全運行的諸多因素中，遭受雷擊是一個重要方面。

本文結合風電機組防雷的研究成果，對風電機組的雷擊過程、雷擊損壞機理以及防雷措施進行了較全面的闡述。關鍵詞：風電機組；雷擊；保護1、引言隨著人們對可再生能源利用價值認識的提高，以及風電機組制造、控制和其它相關技術的不斷進步，風力發電在近十幾年來的發展非常迅速，到2001年底全世界的風電總裝機容量已超過24GW[1]。與此同時，風電機組的單機容量和風電場的總裝機容量也不斷增長，因此風電場的安全運行問題也越來越受到人們的關注。影響風電場安全運行的因素很多，其中遭受雷擊是一個非常重要的方面。隨著單機容量的增大，風電機組的塔筒越來越高，再加上大型風電機組一般安裝于開闊地帶或山地，因此風電機組遭受雷擊的概率也較大。以德國風電場遭受雷擊的情況為例。德國風電部門對近年來該國風電機組的故障情況進行了統計，其中1992~1999年間風電機組雷擊事故情況如表1所示[2]。由表可見，多年以來德國風電場每100風機年的雷擊數基本維持在10 %左右。另外，調查結果還表明，在所有引發風電機組故障的因素中，外部因素（如風暴、結冰、雷擊以及電網故障等）占16 %以上，其中雷擊事故約占4%。表1    德國風電機組雷擊事故統計（1992-199年）由于雷電現象具有非常大的隨機性，因此不可能完全避免風電機組遭受雷擊，只能在風電機組的設計、制造和安裝過程中，采取防雷措施，使雷擊造成的損失減到最小。本文從雷電發生的機理和雷擊過程入手，對風電機組的防雷技術進行了闡述分析。2、雷擊損壞機理雷電現象是帶異性電荷的雷云間或是帶電荷雷云與大地間的放電現象。風電機組遭受雷擊的過程實際上就是帶電雷云與風電機組間的放電。在所有雷擊放電形式中，雷云對大地的正極性放電或大地對雷云的負極性放電具有較大的電流和較高的能量[3,4]。雷擊保護最關注的是每一次雷擊放電的電流波形和雷電參數。雷電參數包括峰值電流、轉移電荷及電流陡度等。風電機組遭受雷擊損壞的機理與這些參數密切相關。（1） 峰值電流當雷電流流過被擊物時，會導致被擊物溫度的升高，風電機組葉片的損壞在很多情況下與此熱效應有關。熱效應從根本上來說與雷擊放電所包含的能量有關，其中峰值電流起到很大的作用。當雷電流流過被擊物時（如葉片中的導體）還可能產生很大的電磁力，電磁力的作用也有可能使其彎曲甚至斷裂。另外，雷電流通道中可能出現電弧。電弧產生的膨脹過壓與雷電流波形的積分有關，其燃弧過程中的強烈高溫將對被擊物產生極大的破壞。這也是導致許多風電機葉片損壞的主要原因。（2） 轉移電荷物體遭受雷擊時，大多數的電荷轉移都發生在持續時間較長而幅值相對較低的雷電流過程中。這些持續時間較長的電流將在被擊物表面產生局部金屬熔化和灼蝕斑點。在雷電流路徑上一旦形成電弧就會在發生電弧的地方出現灼蝕斑點，如果雷電流足夠大還可能導致金屬熔化[5]。這是威脅風電機組軸承安全的一個潛在因素，因為在軸承的接觸面上非常容易產生電弧，它就有可能將軸承熔焊在一起。即使不出現軸承熔焊現象，軸承中的灼蝕斑點也會加速其磨損，降低其使用壽命。（3） 電流陡度風電機組遭受雷擊的過程中經常發生控制系統或電子器件的損壞，其主要原因是感應過電壓的存在。感應過電壓與雷電流的陡度密切相關，雷電流陡度越大，感應電壓就越高。3、風電機組雷擊頻率和雷擊位置為了實施有效的雷擊保護，需要事先對雷擊頻率和雷擊位置進行預測，從而使雷擊保護更有針對性。通常用雷擊高層建筑的頻度估算方法來估計雷擊風電機組的頻度[3]。對于高度低于60 m的建筑物，其雷擊頻度為Nd -Ng ×A e ×10-6 （2）式中Ng為年平均落雷密度，表示在所考慮的建筑物所在區域內每年每平方公里的雷擊次數；Ae為建筑物的等效面積，m2。某建筑物的等效面積是指與該建筑物遭受直擊雷的頻率相同的地表面積，其等值半徑為建筑物高度的3倍。以一個50m高的建筑物為例，假定該建筑物位于一相對平整的地面上且遠離其它建筑物，則其等效面積為A e =πr2 =π（50×3）2 =70650m2 （3）對于葉尖帶防雷保護的風電機組，在計算Ae時其高度應為最大葉尖位置與地面之間的距離。對于葉尖沒有保護的情況，其有效高度介于該值與機艙到地面距離之間的值。以上計算方法僅限于低于60m的風電機組。對于高于60m的風電機組，按式(2)計算得到的結果則偏低。估計雷云對大地放電的可能雷擊點的位置，可以應用“滾球法”的簡化方法。盡管雷擊放電具有很大的分散性，“滾球法”得到的結果可能與實際情況存在一定的誤差[6]，但該方法還是普遍應用于接地建筑物的防雷設計。IEC標準給出了對應于特定防護水平的滾球半徑的大小[7]。將此方法應用于風電機組，則可以推知葉片的大部分、輪轂、機艙的尾部以及部分塔筒均可能成為雷擊放電點[3]。圖1給出了幾種典型的雷擊風電機組時可能的放電位置示意圖[3]。發生雷云對大地放電時，雷電很容易擊中葉尖，但也有可能擊中葉片的側面或葉片的絕緣部分甚至內部導體。大地對雷云的放電是從頂端開始形成的，非常強烈地表現在葉尖和其它外部突出的點，如機艙上的避雷針、機艙前端和輪轂等部位。如果葉片具有葉尖防雷保護，則向上發展的雷擊放電也將集中在葉尖上。由此可見，風電機組遭受雷擊時，其雷擊點可能分布在機組的許多部位。4、風電機組的防雷4.1 風電機組機械部件的防雷4.1.1 葉片防雷風電機組的葉片中，有的葉片并沒有設置內部導電體或進行表面金屬化處理，僅是純粹的玻璃增強塑料（GRP）結構或GRP–木結構。運行經驗表明，這種類型的葉片經常遭受雷擊，并且通常是災難性的[3]。為此，應在物理結構上采取防雷措施[8,9]，以減小葉片遭受雷擊時的損傷。（1） 無葉尖阻尼器的葉片防雷結構（圖2）對于無葉尖阻尼器的葉片，一般是在葉尖部分的玻璃纖維外表面預置金屬化物作為接閃器，并與埋置于葉片內的銅導體相連（銅導體與葉根處的金屬法蘭連接）。外表面金屬化物可以采用網狀或箔狀結構。雷擊可能會對這樣的表面造成局部熔化或灼蝕損傷，但不會影響葉片的強度或結構。（2）有葉尖阻尼器的葉片防雷結構（圖3）對于有葉尖阻尼器的葉片，通常是在葉尖部分的玻璃纖維中預置金屬導體作為接閃器，通過由碳纖維材料制成的阻尼器軸與用于啟動葉尖阻尼器的鋼絲（啟動鋼絲與輪轂共地）相連接。這樣的結構通過了200kA的沖擊電流實驗，葉片沒有任何損傷[9]。可以預見，這樣的葉片遭受雷擊的概率要比絕緣材料制成的葉片高，但只要滿足下列條件就不會造成很大損傷：①雷擊點處的電弧灼燒不產生嚴重的破壞；②雷電流可以安全地通過導電構件導入地下。這就要求導電構件需要有足夠的強度和橫截面積。4.1.2 軸承保護一般情況下，雷擊葉片時產生的大部分雷電流都將通過低速主軸承導入塔筒。這比雷電流沿著主軸流向風電機組的發電機要好得多。通過軸承傳導的強大雷電流通常會在軸承接觸面上造成灼蝕斑點，但由于軸承的尺寸較大使得雷電流密度較小，所以雷擊損傷還不至于立刻對風電機組運行造成影響，但能夠引起噪聲、振動和增大機械摩擦等，從而導致縮短軸承的使用壽命[3,5]。有些軸承具有絕緣墊層，雷電流通過滑環導入塔筒[5]。這種措施可降低軸承所受損傷的程度，但要消除軸承的潛在問題還是非常困難的，主要原因是與軸承平行的滑環往往只能承載小部分雷電流，而大部分雷電流的流通還需軸承來完成。對偏航軸承也應有類似措施。一般來說，偏航軸承的周邊為雷電流提供了一個良好的導電通道。如果出于設計的原因偏航軸承不能導電時，則必須為其建立雷電流通路[3]。4.1.3 機艙防雷[3,5,7,8]如果葉片采取了防雷保護措施，也就相當于實現了對機艙的直擊雷防護。雖然如此，也需要在機艙尾部設立避雷針，并與機架緊密連接。如果葉片沒有防雷保護，則應在機艙的首尾端同時裝設避雷針。對由非導電材料制成的機艙中的控制信號等敏感的線路部分都應有效屏蔽，屏蔽層兩端都應與設備外殼連接，而且還要避免形成環路。另外，在機艙表面應布置金屬帶或金屬網，且與機架相連接，為工作人員提供安全保護和一定程度的電屏蔽。裝設這種帶狀保護和附加防護，以及位于機艙前部的避雷針等，在絕緣葉片的情況下是非常必要的。如果機艙是金屬制成的，則將機艙與低速軸承和發電機機座相連接，就可以實現很好的安全保護和電屏蔽。提供電氣連接的導體應盡量短。4.2 風電機組電氣部件的防雷4.2.1 暫態過電壓及線路保護對風電機組控制系統造成破壞的暫態過電壓，可能是由直擊雷或非直擊雷引起的。發生在信號線、通訊線和電力線附近的雷擊過程，將在這些線路上產生暫態過電壓，其幅值可能達到幾十千伏。如果一臺風電機組遭到雷擊，傳輸到另一臺風電機組的暫態過電壓的大小與該風電機組的接地狀況有關，即使采取了良好的改善措施，其暫態過電壓還有可能達到這一數量級[10]，因此建議布置在塔間的信號線采用光纖并連接到實際的控制中心[3]。通信線在進入建筑物處應設置氣體放電管加以保護，并通過一低阻抗接地線接地。沿電力線注入的暫態過電壓會對線路造成破壞，因此需要使用電涌保護器加以保護。4.2.2 雷電流的直接注入及其防治雷電擊中電氣元件即雷電流直接注入線路的情況是一種非常嚴重的雷擊現象，將會產生相當大的破壞作用。因此要避免雷電直接擊中系統中的傳感器件和接線。實現這種保護是比較容易的，用合適的布線方式以及避雷針等均可起到一定的保護作用，像氣象儀之類的器件應該用避雷針保護。實際上，風電機組機艙尾部的避雷針就兼作風速、風向儀的支撐桿，這樣的布置方式對風速、風向儀的保護是比較有效的。這些儀器的信號線路應該沿著金屬構件布置并且加以屏蔽。4.2.3 磁力線耦合及抑制雷擊過程將產生快速變化的磁場，在位于機艙內或沿著塔筒的線路中將產生數值較高的過電壓，其值可達幾十伏甚至幾千伏[3]。這樣的過電壓會損傷電氣設備和發電機。這些損傷可能是潛在性的，但在未來的運行過程中可能會引發大的故障。減少感應電壓的一般方法有：（1）使信號線路或控制線路盡可能短，并盡可能靠近承載電流的構件；（2）通過設置多個平行的電流通路使各通路的電流水平達到最小，并盡可能將線路靠近電流密度較小的導體。（3）敏感的線路應布置在兩端固定的線槽中，如發電機和齒輪箱等部件的線路都應這樣處理。總之，要達到最大的防護效果，線路就應該盡可能靠近金屬構件布置。由于雷電流具有趨膚效應，所以金屬塔筒對其中的線路具有非常好的屏蔽效果。在導線屏蔽且屏蔽層兩端與金屬構件固定安裝的情況下，屏蔽層內部的導線所面對的是一個減小了的電壓。對電纜采取這種方法屏蔽，其最大感應電壓可以大為降低。4.2.3 電氣設備的防雷保護一般情況下，實現遠端輸入、輸出功能的器件都需要進行過電壓保護，且防護等級與裝置的位置有關。在風電機組中，可能產生感應過電壓的區域是：① 機艙內部和穿過偏航軸承的地方；②連接到控制室和配電室的電纜中。位于這些區域任何一端的電氣控制設備，都要裝設電涌保護器件。對于風電機組控制器中的各電壓等級的電源變壓器、通信線路，通常可采用金屬氧化物壓敏電阻以防止過電壓；而風電機控制器中的24V直流電源、I/O模塊，則采用瞬變電壓抑制元件以防止過電壓[8,9]。發電機以及其它設備上的傳感器通常是與其外包裝電氣隔離的，只要感應電壓不足以破壞其絕緣性能，就沒有必要裝設避雷器。風電場中使用的電力電纜與變壓器相連，而變壓器的工作電壓相對較高，因此這部分的保護要容易實現一些。在此處安裝的保護器件不必在太低的電壓下工作，而應能在遠低于發電機和變壓器絕緣損壞電壓時動作。此外，只要鎧裝兩端都接地，電纜鎧裝就起到對電纜的屏蔽作用[3]。4.3 風電機組的接地良好的接地是保證雷擊過程中風電機組安全的必備條件。由于風電場通常會布置在山地且范圍非常大，而山地的土壤電阻率一般較高，因此按照一般電氣設備的接地方式設計風電機組的接地系統顯然不能滿足其安全要求。風電機組基礎周圍事先都要布置一小型的接地網，它由1個金屬圓環和若干垂直接地棒組成，但這樣的接地網很難滿足接地電阻須小于1~2W的要求[9,11]。通常的改善措施是將風電場內所有的機組接地網都連接起來，以降低整個風電場的接地電阻。由于風電場機組間都布置有電力電纜和通信電纜，因此機組接地網的連接實際上可以通過這些電纜的屏蔽層來實現[11]。另外，還可在機組接地網間敷設金屬導體，當遭受雷擊時可顯著降低風電場的地電位升高[10]，也可減輕雷擊對電纜絕緣及變壓器高低壓繞組間絕緣的危害程度。5、結束語雷擊是影響風電機組乃至整個風電場安全運行的因素之一。進行風電機組防雷技術的研究是風電研究領域中不可或缺的組成部分，它對保證風電場的安全運行具有重要的意義。本文對風電機組的雷擊過程、雷擊損壞機理以及防雷技術進行了較全面的闡述。在風電機組的防雷設計中，應根據不同的雷擊損壞機理，對葉片、機艙、軸承等機械部件以及信號、控制線路等采取不同的防雷措施。避免葉片等部位直接遭受雷擊、選擇適當的導體結構、合理設計雷電流路徑、降低內部燃弧的可能性以及降低控制和信號線路中的感應電壓等措施是達到一定防雷效果的有效途徑。另外，合理的接地布置也是風電機組防雷設計的重要組成部分，也應予以足夠的重視。參考文獻[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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