雷电对风电机组运行的影响分析

雷电是带电云层直接或通过地面物体对大地的瞬间放电现象。一次放电能量巨大。全球每年都会发生800多万次的雷电放电。雷击会造成地面的建筑物或人员的损伤。为获得最佳的风资源，风电机组一般都安装在周边无遮挡的开阔地带，风电机组容易遭受雷击。相对其他的特殊气候，雷击是风电场中影响最为广泛的一种自然灾害，大部分风电场都有风电机组遭受雷击的记录。

（一）雷电破坏机理

1.雷击热效应

当物体邀受雷击时，强大的放电电流从雷击点通过被击物体导入大地。电流所产生的热能在雷击点局部引起很高的温升，可以造成此处金属物体的溶化或非金属物体烧毁，称为热效应。根据有关的研究数据，雷击金属物体和非金属物体热量的产生可以由式（7-1）、式（72）进行计算。

（1）金属物体产生的热量：

式中　Wm——雷击金属物体处产生的热量，J；

Uar——金属物体上雷击处电弧压降，V，其经验值取20～30V；

i——从雷击点注入雷电流，kA；

t——雷电流作用的时间。

（2）非金属物体产生的热量：

式中　Wn——雷击非金属物体处产生的热量，J；

Rr——非金属物体内部电流路径的视在电阻，Ω；

i——从雷击点注入雷电流，kA；

t——雷电流作用的时间。

从式（71）和式（72）中可以发现，无论是非金属还是金属物质都与电流的大小成正比，持续时间长将使得被击物体产生更高的热量。风力发电机组的桨叶主要由玻璃纤维或碳纤维增强塑料、木质、钢和铝等材料组成。在风电机组叶片遭雷击后，通常都可以发现叶片的接闪器有融化的现象，部分雷击严重的还会发现叶片玻璃纤维的过火痕迹。

2.雷电的机械效应

根据有关资料研究，雷电的机械效应表现为电磁力和内压力，根据电磁场理论，当两个导体的电流方向相反时将会产生相斥力；所以雷电流通过时，如果存在弯曲的导线将产生较大的电磁力，损坏电气设备。一般认为，雷电对风力发电机组的破坏主要是内压力，当雷击桨叶时瞬间会产生很高的热量，在短时间内很难散发，导致桨叶局部温度急剧上升，桨叶材料分解出的气体将迅速膨胀，在叶片内腔产生破坏性的爆炸力，使得叶片开裂。如果在叶片中有水珠，由于产生的蒸汽的作用这种膨胀将会产生更大的破坏力。接触不良的地方由于接触电阻增大，也会产生很大的内压力，产生的爆炸力甚至会将整个叶根撕裂，造成严重的损坏。

（二）雷击对风电机组造成的损坏

我国每年的3～10月份是雷电比较频繁的时间，其中又以6～9月份最为频繁。从风力发电机组雷击情况看，雷击造成叶片和电控系统损坏占绝大多数（见图77）。避雷系统中雷电电流的下引通道是否良好，直接影响雷击后设备的损坏严重程度。

（三）风电机组主要的雷击防护设计

1.桨叶防雷措施

桨叶主要由玻璃纤维、碳纤维增强塑料、木质、钢和铝等材料组成，其结构为外壳加支撑梁组合。大量的研究资料表明，全绝缘桨叶遭受雷击时比设置引雷装置的叶片造成的损坏大。丹麦LM公司于1994年获得叶片防雷的科研项目。项目由丹麦能源部资助，参加机构包括丹麦研究院雷电专家、风机生产厂、保险业、风电场和有关商业组织。项目的目的是调查研究雷电导致叶片损害，开发安全耐用的防雷叶片。研究人员在实验室进行了一系列仿真测试。测试电压高达1.6MV，电流到200kA，进行雷电冲击，验证叶片结构能力和雷电安全性。研究表明，不管叶片是用木头或玻璃纤维制成，或是叶片包导电体，叶片全绝缘并不会减少被雷击的危险，反而会增加损害的次数。

因此，无论定桨距叶片或变桨距叶片都应设置防雷装置。通过叶片遭受雷击的分析可以看出，叶片装设的防雷装置，实际上是引雷装置，是一种通过产生上行先导，有利于雷击发生。这一点上其作用又类似于避雷针，是在叶片遭受雷击时减少叶片损坏的一种措施。

图77　叶片遭雷损坏

定桨距机组和变桨距机组都会在每支叶片的叶尖处设立引雷装置，也称为接闪器（图78）。接闪器一般为一个圆形的金属块，嵌在叶尖处。有关研究资料表明，当叶片长度大于20m时，叶片接闪器的引雷效果会下降，并且可能会造成绕击情况。这时一般需要在叶片的中部增设接闪器。兆瓦级及以上的风电机组的叶片一般都装有1个以上接闪器，接闪器同时与引雷导线相连，叶尖至叶根的引雷导线可采用铜、铝、钢等不同的材料。通常在定桨距叶片中将作用于叶尖空气刹车的钢丝绳共作引雷线，在叶根空气刹车液压缸前通过其他引雷线（一般为软铜线）连接到轮毂。变桨距叶片引雷线一般采用铜导线。

图78　叶片防雷示意

根据导线采用的不同材料，国际电工协会IEC 61400—24标准中对引雷线最小尺寸做了规定，见表713；对于防雷装置的最小尺寸也做了推荐，见表714。

表713　引雷线材料与最小尺寸(www.xing528.com)

表714　防雷装置材料与最小尺寸

按照IEC 1024—1标准，还采用雷电5个重要参数，确定保护水平分Ⅰ～Ⅳ级，具体参数见表715。

表715　保护水平分级

图79　桨叶轴承防雷滑环

2.轴承的防雷

在长期运行中，人们发现雷击对风力发电机组的各轴承会造成损伤。主要原因是当雷电流通过时会烧蚀轴承滚子或滚道表面，导致轴承受力不均，加速轴承损坏。雷电流主要损坏的轴承包括变桨轴承、主轴轴承。所以近几年生产的风电机组加装了滑环装置（见图79），相当于将原来通过轴承的引雷回路分流来保护和减少雷电流流过轴承。但是防雷碳刷在运行中容易发生磨损和污染，引发接触不良，所以必须经常检查，及时维护。

3.机舱防雷

虽然叶片雷击概率高于要远高于机舱，但是仍然可能存在绕击的情况。雷击可能会击中机舱的尾部，所以需要在机舱的尾部设立避雷针（见图710），同时也可以保护风速和风向仪。同时机舱内部的发电机，控制柜所有的设备均应与机舱底板做可靠的电气连接形成等电位连接方式，防止雷击时发生电位差发生反击，如图711所示。

图710　机舱尾部机舱避雷针

（a）机舱避雷针示意图；（b）机舱上的避雷针实物图

图711　发电机底座和控制柜内等电位接地

（a）发电机底座与机舱底板电气连接；（b）等电位接地

4.机舱与塔架引雷通道

机舱与塔架连接一般采用滑动轴承或零油隙四点支撑轴承，防雷连接必须跨越偏航环，确保引雷通道的畅通。以GAMESA—850kW为例，其采用滑动轴承，由于偏航滑块采用的是绝缘耐磨材料，所以其在移动滑块中间安装了若干铜棒，保持机舱和塔架有良好的电气连接。回转支承轴承一般不再单独设立引雷线路。

5.塔架间、塔架与接地网引雷通道

塔架一般都采用钢板制成，本身也具有导雷性能，早期的风电机组塔架间并不设立专用的引雷导线。但是由于塔架法兰面可能不够平整，所以最近投产的新机组塔架间一般都接有引雷导线，以加强导雷能力。导线一般采用软铜线。塔架与接地网之间必须确保可靠的连接。一般在塔架基础环上部或底段塔架下法兰处焊有专用的接地连耳环，通过铜导线与接地网扁钢相连。通常在塔筒上设立3个接地连接点，分别连接3处的接地网扁钢。

6.接地装置

为确保雷电流快速地泄入大地，并降低反击电压，必须设立专用接地装置，接地装置主要根据风力发电机组要求的接地电阻值进行设计。风力发电机组的接地既是防雷接地，也是设备保护接地、工作（系统）接地和防静电接地，风力发电机组使用一个总的接地装置。目前绝大部分风力发电机组要求的最大接地电阻不高于4Ω。整个接地装置中风机基础是风力发电机组重要的自然接地体，要求风力发电机组的接地引线在穿过基础时与风机基础内钢筋有效连接，风力发电机底部接地引出线与避雷带焊接相连不少于3处。风力发电机组沿避雷带沿风力发电机基础四周敷设，一般应用50mm×5mm热镀锌扁钢，距离基础约为1m，避雷带将基础周围的接地极相连接，形成完整的接地装置。当风电机组的接地电阻不能满足要求时，应敷设人工接地体达到接地电阻不大于4Ω的要求，如图712所示。

图712　风力发电机组接地装置

风电机组布置接地装置的目的主要是降低接地电阻，减少雷电反击造成损坏。影响接地电阻的主要因素是土壤电阻率。土壤电阻率在很大程度上决定着接地体接地电阻的大小。有关部门的研究资料表明：由于土壤类型、土壤含有的物质等不同，土壤电阻率变化范围很大。沼泽一般在80～200Ω·m，砂地250～500Ω·m，黏土质砂地150～300Ω·m，砂岩及岩盘地带1000～10000Ω·m，造成各风电场风电机组接地电阻相差巨大。部分山区风电场的土壤电阻率远高于1000Ω·m，如采用典型设计，不可能达到接地电阻的要求，需要采用其他的措施改进。例如采用大型接地网，将各风电机组间地网相连，另外增设人工接地装置。采用素土回填，深井接地，延长和外延接地，添加降阻剂等方式进行。

（四）运行中的有效防雷击损坏措施

（1）及时修补表面受损叶片，防止潮气渗透入玻璃纤维层，造成内部受潮。

（2）定期清理叶片表面的污染物，一般污染物具有导电性，会造成接闪器失效。

（3）定期检查从叶片引雷线、滑环至接地网的引雷通道接触良好，及时清理引雷滑环的锈蚀，确保引雷通道阻值最小。

（4）定期测量风力发电机组接地电阻，确保接地电阻值在4Ω以下并尽可能降低接地电阻。

（5）必须确保风力发电机组电气系统中所有的等电位连接无异常。

（6）定期检查风力发电机组电气回路的避雷器，及时更换失效避雷器。