浅析风力发电机组的雷电防护
随着风电技术的发展，大型风力发电机不断研制成功，随之机组的塔架也越来越高，风力机遭受雷击的几率也比过去增加了很多，在沿海或林区的风电场，防雷是不可忽视的，在这些风电场尽管也采取了一些防雷措施，但雷击还是造成了叶片和电控器件的损坏，借鉴经验及总结教训，我们应该做到防患于未燃，将防雷工作做的更彻底、更全面，以使雷击对风机的损坏降到最小。
《大电机技术》(双月刊)创刊于1971年，由哈尔滨大电机研究所主办。本刊是全国中文核心期刊，主要介绍我国大中型水电机组、火电汽轮发电机组、交直流电机、特种电机及其辅助设备等产品的科学研究、技术开发、设计制造、试验计算、安装调试、监测监控和故障分析等专业技术领域的内容。
一、引言
雷电是自然界中一种常见的放电现象。关于雷电的产生有多种解释理论，通常我们认为由于大气中热空气上升，与高空冷空气产生摩擦，从而形成了带有正负电荷的小水滴。当正负电荷累积达到一定的电荷值时，会在带有不同极性的云团之间以及云团对地之间形成强大的电场，从而产生云团对云团和云团对地的放电过程，这就是通常所说的闪电和响雷。
具体来说，冰晶的摩擦、雨滴的破碎、水滴的冻结、云体的碰撞等均可使云粒子起电。一般云的顶部带正电，底部带负电，两种极性不同的电荷会使云的内部或云与地之间形成强电场，瞬间剧烈放电爆发出强大的电火花，也就是我们看到的闪电。在闪电通道中，电流极强，温度可骤升至2万摄氏度，气压突增，空气剧烈膨胀，人们便会听到爆炸似的声波振荡，这就是雷声。而对我们生活产生影响的主要是近地的云团对地的放电。经统计，近地云团大多是负电荷，其场强最大可达20kV/m。
二、雷电的危害
自然界每年都有几百万次闪电。雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一。最新统计资料表明，雷电造成的损失已经上升到自然灾害的第三位。全球每年因雷击造成人员伤亡、财产损失不计其数。雷击造成的危害主要有5种：
(1)直击雷
带电的云层对大地上的某一点发生猛烈的放电现象，称为直击雷。它的破坏力十分巨大，若不能迅速将其泻放入大地，将导致放电通道内的物体、建筑物、设施、人畜遭受严重的破坏或损害——火灾、建筑物损坏、电子电气系统摧毁，甚至危及人畜的生命安全。
(2)雷电波侵入
雷电不直接放电在建筑和设备本身，而是对布放在建筑物外部的线缆放电。线缆上的雷电波或过电压几乎以光速沿着电缆线路扩散，侵入并危及室内电子设备和自动化控制等各个系统。因此，往往在听到雷声之前，我们的电子设备、控制系统等可能已经损坏。
(3)感应过电压
雷击在设备设施或线路的附近发生，或闪电不直接对地放电，只在云层与云层之间发生放电现象。闪电释放电荷时，在电源和数据传输线路及金属管道金属支架上感应生成过电压。
雷击放电于具有避雷设施的建筑物时，雷电波沿着建筑物顶部接闪器(避雷带、避雷线、避雷网或避雷针)、引下线泄放到大地的过程中，会在引下线周围形成强大的瞬变磁场，轻则造成电子设备受到干扰，数据丢失，产生误动作或暂时瘫痪;严重时可引起元器件击穿及电路板烧毁，使整个系统陷于瘫痪。
(4)系统内部操作过电压
因断路器的操作、电力重负荷以及感性负荷的投入和切除、系统短路故障等系统内部状态的变化而使系统参数发生改变，引起的电力系统内部电磁能量转化，从而产生内部过电压，即操作过电压。操作过电压的幅值虽小，但发生的概率却远远大于雷电感应过电压。实验证明，无论是感应过电压还是内部操作过电压，均为暂态过电压(或称瞬时过电压)，最终以电气浪涌的方式危及电子设备，包括破坏印刷电路印制线、元件和绝缘过早老化寿命缩短、破坏数据库或使软件误操作，使一些控制元件失控。
(5)地电位反击
如果雷电直接击中具有避雷装置的建筑物或设施，接地网的地电位会在数微秒之内被抬高数万或数十万伏。高度破坏性的雷电流将从各种装置的接地部分，流向供电系统或各种网络信号系统，或者击穿大地绝缘而流向另一设施的供电系统或各种网络信号系统，从而反击破坏或损害电子设备。同时，在未实行等电位连接的导线回路中，可能诱发高电位而产生火花放电的危险。
三、风力发电机防雷的必要性分析
在某些沿海风电场，如果广东石碑山风电场，雷电日为40个左右,为雷雨多发地区,而据统计资料显示,对于高度为h(m)的建筑物在每年平均10个雷电日的情况下,年遭雷击的概率N如表1所示:
表1高度与雷击次数的关系
高度h(m) 20 50 100 200
N雷击数/年 0.02 0.1 0.3 1
年均雷电日10天
表2显示了在强雷区中结构物分别高于12-16米都应考虑设置防雷保护,如金风S43/600风力发电机塔架高度为48.5米,加之叶片长度应在60米以上,因而更易遭到雷击.
表2应设防雷保护的结构物高度
雷区等级 年平均雷电日X 结构物高度h(m) 说明
轻雷区 X<30 h>24 应考虑防止直接雷击
中雷区 3530 同上
强雷区 X>80 h>16 同上
统计表明风力发电机受到的雷击大多是直接雷击,并且遭受雷击的风机如果缺少有效的防雷保护，其叶片和电器系统都会受到不同程度的损坏,严重的会导致风力发电机发生着火。因此，风机的防雷技术很重要，应引起各风机制造厂家的重视，以使风机遭受雷击时受到的损害为最小。
四、金风S43/600风力机的雷电防护体系
金风S43/600机组的全雷电防护体系,包括对叶片、机舱、塔架、输电线路以及控制系统.它是利用雷电的选择最小阻抗路径的自然特性,人为架设一条低阻抗通路,让雷电的能量顺着预定的线路泄放,降低电位提升,减小温度升高,保护风力机设备免遭损坏.具体的防雷体系及修改建议如下:
(一)叶片的防雷保护
雷电击中叶片后,在内部形成的高温以及造成的空气膨胀,使叶片开裂,因此对于叶片的防雷应给以足够的重视,叶片采用内置式的雷电接闪器。见下图：
这种防雷装置经过试验室测定：可经受
1600KV的雷击电压和200KA的电流。
该装置简单精巧，与叶片的寿命一样。
如果需要，可以很方便的更换。
图1叶片的雷电保护
1.液压缸支架2.钢丝3.碳纤维轴4.接闪器
整个叶片分成两段,叶尖部分玻璃纤维聚脂层预制铸铝型心作为接闪器,通过碳纤维材料的阻尼器轴,与连接轮毂的叶尖阻尼器钢丝相连接,当遭到雷击时,雷电流经叶片中金属导体迅速传到叶根金属法兰和轮毂,在机舱主轴端设有两个防雷碳刷,用于传接由叶尖传过来的雷电流,最后通过接地低阻抗通路时雷电能量泄放,从而达到防雷目的。
在这里提出,钢丝绳与轮毂之间的连接导线采用专用的铜线,导线的横截面积不少于50mm².在石碑山风电场中,接地线的螺栓发生腐蚀,使导线和底板接触不良,形成隐患。建议对接地螺栓采用防腐性能更好的螺栓.或采用专门的防腐材料进行及时有效的防腐。另外,叶尖接闪面较小,接闪器离叶尖太远,雷电流经过叶尖雷击点到接闪器之间的玻璃纤维时引起叶尖材料温度急剧升高而爆裂。
(二)对机舱的保护
风力机的风轮、机舱都是转动的，要将雷电的能量从转动的部分可靠的引到地下，关键要保持良好的接触，否则雷电流将会流到机舱其他部位，比如击穿油膜，对轴承或齿轮箱放电，从而损坏设备。
安装在机舱罩后上部的避雷针可以保护整个机舱,同时机舱内各部件包括机舱罩通过95mm²的接地电缆与机舱底座连接,机舱底座通过偏航轴承与塔架连接,确保雷电流迅速从塔架流入大地。
图2发电机接地线图3齿轮箱接地线
根据在风电场维护运行中，发现以上图片中接地电缆长度较长,发电机接地线的长度按工艺要求为550mm,可以缩减到520mm;齿箱接地线可以由610mm缩减到580mm,就可以满足安装要求.另一方面,接地线越短,其电阻越小,那么风机的低阻抗通路性能就越好.
(三)风机的接地
风机的接地系统是风机防雷系统中的关键环节，应包括一个围绕风机基础的环状导体，与基础一同构成风机的接地系统，环状导体采用70mm²或更大些的铜导体，若按这种方式测得接地电阻>2Ω,则必须采取措施如增加电极直到≤2Ω。
如图所示：
图4风机接地
1.环状金属导体2.接地电极
广东石碑山风电场属于临海地区，土壤电阻率较高，为降低接地电阻，开挖接地网沟后，建议用土壤电阻率较低的土壤回填，会比现有的添加降阻剂效果更加显著。
四、结论
1、改善叶尖防雷结构，接闪器离叶尖不易太远，雷电流经过叶尖雷击点到接闪器间的玻璃纤维时，引起叶尖材料温度急剧升高而爆裂，建议改进风机叶片的防雷设计，订购叶片时要求厂家提供叶片防雷的实验数据和资料。
2、针对广东沿海地区气候潮湿，接地螺栓的防腐须提高要求，防雷保护的关键在于金属接触要充分。
3、针对临海地区土壤电阻率较高，建议在开挖接地网沟后，用电阻率低的土壤回填。