風電機組的防雷保護

　　摘 要 ：隨著風電場建設的快速發(fā)展，風電場安全運行問題日益受到人們的重視。其中，雷擊是影響風電機組乃至整個風電場安全運行的重要因素。本文從雷電的破壞機理和形式入手，對雷電的防護區(qū)域進行了劃分，提出了風電機組的防雷保護原則，對風電機組的防雷保護系統(tǒng)進行了全面的分析闡述。
　　關鍵詞： 風電機組；防雷保護；防雷設計

　　1 引言
　　風能是當前技術最成熟、最具備規(guī)模開發(fā)條件的可再生能源，風力發(fā)電已成為新能源產(chǎn)業(yè)中最重要的組成部分。
近年來，風電機組的單機容量越來越大，為了吸收更多能量，輪轂高度和葉輪直徑不斷增加；同時，高原、沿海、海上等新型風電機組的開發(fā)，使風電機組開始大量應用于高原、沿海、海上等地形更為復雜、環(huán)境條件更為惡劣的地區(qū)，從而加大了風電機組遭受雷擊的風險。據(jù)統(tǒng)計，風電機組故障中，由遭遇雷擊導致的故障占4%。雷電釋放的巨大能量會造成風電機組葉片損壞、發(fā)電機絕緣擊穿、控制元器件燒毀等。風電機組的防雷是一個綜合性的防雷工程，防雷設計到位與否，直接關系到機組在雷雨天氣時能否正常工作，以及機組內(nèi)的各種設備是否受到損壞。
　　2 雷電的破壞機理與形式
　　雷電現(xiàn)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(xiàn)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，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。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(shù)。雷電參數(shù)包括峰值電流、轉(zhuǎn)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(shù)密切相關。
　　2.1 峰值電流
　　當雷電流流過被擊物時，會導致被擊物的溫度升高，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(chǎn)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(xiàn)電弧。電弧產(chǎn)生的膨脹過壓與雷電流波形的積分有關，其燃弧過程中驟增的高溫會對被擊物造成極大的破壞。這也是導致許多風電葉片損壞的主要原因。
　　2.2 轉(zhuǎn)移電荷
　　物體遭受雷擊時，大多數(shù)的電荷轉(zhuǎn)移都發(fā)生在持續(xù)時間較長而幅值相對較低的雷電流過程中。這些持續(xù)時間較長的電流將在被擊物表面產(chǎn)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(fā)生電弧的地方出現(xiàn)灼蝕斑點，如果雷電流足夠大還可能導致金屬熔化。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(chǎn)生電弧，它有可能將軸承熔焊在一起。即使不出現(xiàn)軸承熔焊現(xiàn)象，軸承中的灼蝕斑點也會加速其磨損，縮短其使用壽命。
　　2.3 電流陡度
　　風電機組在遭受雷擊的過程中經(jīng)常會造成控制系統(tǒng)或電子器件損壞，其主要原因是存在感應過電壓。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。
　　2.4 雷電的破壞形式
　　設備遭雷擊受損通常有4 種情況：1）設備直接遭受雷擊而損壞2）雷電脈沖沿著與設備相連的信號線、電源線或其他金屬管線侵入設備使其受損3）設備接地體在雷擊時產(chǎn)生瞬間高電位形成地電位“反擊”而損壞4）設備因安裝的方法或安裝位置不當，受雷電在空間分布的電場、磁場影響而損壞。
　　3 雷電防護區(qū)域的劃分
　　雷電防護區(qū)域的提出是為了更好的保護風電機組系統(tǒng)里的元件。機組系統(tǒng)利用半徑30m 的滾球法可以分為幾個不同的區(qū)域。雷電防護系統(tǒng)依據(jù)標準制定劃分區(qū)域，目的是為了減少電磁干擾與可預見的耦合干擾。國際電工委員會（IEC）對防雷過電壓保護的防護區(qū)域劃分為：LPZ0 區(qū)（LPZ0A、LPZ0B），LPZ1 區(qū)，LPZ2 區(qū)，如圖1 所示。