雷电流对风电机组的危害及防护措施

一、概述：

风力发电机组的材质、组成、安装方式决定了其必会受到雷电的侵害，由于现代科学技术的迅猛发展，风力发电机组的单机容量越来越大，为了吸收更多能量，轮毂高度和叶轮直径随着增高，风机的高度和安装位置决定了它是雷击的首选通道，而且风机内部集中了大量敏感的电气、电子设备，一次雷击带来的损坏将是非常大的。因此，必须为风机内的电气、电子设备安装完整的防雷保护系统。通过安装防雷保护装置，设备得到了保护，维护和维修费用降低，并且可以提高设备正常工作的时间。从效率方面考虑，应该从风电机组的设计阶段就考虑其防雷保护的问题，这样就可以避免日后的昂贵的维修费用和改造工程。只有可靠工作的设备才能让投资尽快收回。也只有如此，才能让更多的潜在投资者接受这一系统。

二、雷电形成的原因：
   空中的尘埃、冰晶等物质在云层中翻滚运动的时候，经过一些复杂过程，使这些物质分别带上了正电荷与负电荷。经过运动，带上相同电荷的质量较重的物质会到达云层的下部（一般为负电荷），带上相同电荷的质量较轻的物质会到达云层的上部（一般为正电荷）。这样，同性电荷的汇集就形成了一些带电中心，当异性带电中心之间的空气被其强大的电场击穿时，就形成“云间放电”（即闪电）。

 

带负电荷的云层向下靠近地面时，地面的凸出物、金属等会被感应出正电荷，随着电场的逐步增强，雷云向下形成下行先导，地面的物体形成向上闪流，二者相遇即形成对地放电 。这就容易造成雷电灾害。 

雷电的主要特点有：

1 、 雷电流变化梯度大： 雷电流变化梯度大， 有的可达 1 0 千安/ 微秒；
2 、 时间短： 雷击分为三个阶段， 即先导放电、 主放电、 余光放电， 整个过程一般不会超过 6 0 微秒；

3 、 冲击电流大： 其电流高达几万- 几十万安培；
4 、 冲击电压高 强大的电流产生的交变磁场， 其感应电压可高达上亿伏。 通常雷击有三种形式， 直击雷、 感应雷、 球形雷。

 

三、风机防雷措施：
    设备遭雷击受损通常有四种情况， 一是直接遭受雷击而损坏； 二是雷电脉冲沿着与设备相连的信号线、 电源线或其他金属管线侵入使设备受损； 三是设备接地体在雷击时产生瞬间高电位形成地电位“反击” 而损坏； 四是设备安装的方法或安装位置不当， 受雷电在空间分布的电场、 磁场影响而损坏。 

    由于风力发电机组的叶片高度较高， 叶片成了最易受直接雷击的部件， 其他部件遭感应雷和球形雷破坏的风险也相应增加 。 叶片是风力发电机组最昂贵的部件之一， 大部分雷击事故只损坏叶片的叶尖部分， 少量的毁损坏整个叶片。 雷击造成叶片损坏主要有两个方面： 一方面是雷电击中叶尖后，释放大量能量， 强大的雷电流使叶尖结构内部的温度急骤升高， 水分受热汽化膨胀， 从而产生很大的机械力， 造成叶尖结构爆裂破坏， 严重时使整个叶片开裂。另一方面雷击造成的巨大声波， 对叶片结构造成冲击破坏。 还有一点值得关注的是雷击一般是击中叶片上翼面。 有关变电站和输电线路的防雷技术已经比较成熟， 在此略过。 本文在此主
要探讨风力发电机组防雷问题。 经过对雷击特点的研究分析， 提出以下几点经济可靠的综合性防雷措施：
1、利用新材料防雷电
针对雷电对设备的破坏特性， 试验证明降低被击物体结构内部阻抗， 对地形成通路就可以免遭雷击破坏。 根据这一特性， 在叶片上翼面复合材料中加入具有良好导电性能和比重轻的碳纤维， 并在叶尖部位装一个接闪器， 通过电缆与叶片法兰连接， 再由轮毂通过塔架内的接地线接入地网形成雷电通道( 如果通道中转动部分导电性能不能达到导电要求， 可以加装导电滑环解决) 。 当雷电击中叶片时，强大的雷电流通过雷电通道泻入大地， 达到避雷效果， 而不致使对叶片及其他设备造成损坏。 这样实际上叶片成了引雷针， 将周围的雷电引来并提前放电， 因此应特别注意雷电通道阻抗要非常小， 连接导线要有足够导电截面及良好的导电性， 接地网一定要保证尽量小的阻抗值。

2、利用地网防雷电
    利用避雷网防雷电将风场内所有建筑工程基础和地桩间利用导电截面积足够的金属导体连接为一体形成可靠的具有低电阻接地网， 接地电阻越小越好。 由于对地电阻小， 强大的雷电流能够迅速散流到大地， 使设备不受强电流、 高电压冲击， 对被保护设备起
到很好的防护效果。
3、利用防雷器防雷电
    防雷器又称电涌保护器， 在风力发电机组电力电缆和通讯控制线线路上安装防雷器， 就能把因雷电感应而窜入电力电缆线、 信号传输线的高电压限制在一定范围内， 保证设备不被击穿而达到防雷效果。 另外， 因为通讯较脆弱、 抗干扰能
力较差， 为避免雷电带来影响， 建议风力发电机组与风场监控系统的通讯联系使用光纤传输。
4、利用新技术监测雷电
    在叶片上嵌置光导纤维， 加上综合配套的软件， 对叶片的载荷、 温度、 潜在断裂及破坏、 雷电打击等起到连续不间断的全天候监测， 并提供适时的预警或维修警告， 而无需停机检查， 对风机实行优化运营与使用， 以提高运行的可靠性
和延长叶片寿命。 
    

四、总结：

雷电的破坏力非常大，入侵设备的方式也很复杂，只有根据实际情况采取相应的防雷措施才能降低设备被雷击的危险。