雷擊對風力發電機組的影響及改進措施

1 雷擊對風力發電機組的影響

風力發電特點是：風機分散安置在曠野，大型風機葉片高點(輪轂高度加風輪半徑)達89～117m，易受雷擊；風力發電機組的電氣絕緣低(發電機出口電壓690V，且大量使用自動化控制和通信元件)。因此，就防雷來説，其環境遠比常規發電機組的環境惡劣。風力發電機組是風電場的貴重設備，價格佔風電工程投資60％以上。若其遭受雷擊(特別是葉片和發電機貴重部件遭受雷擊)，會造成風力發電機組葉片爆裂、電氣絕緣擊穿、自動化控制和通信元件燒燬等等。除了損失修復期間應該發電所得之外，還要負擔受損部件的拆裝和更新的巨大費用。丹麥LM公司資料介紹：1994年，在雷電活動少的丹麥境內註冊的運行風機，受到雷害損壞超過6％，修理費用估計至少1500萬克朗（當年丹麥裝機540MW，平均2．8萬克朗/MW )。按LM公司估計，世界每年有1％～2％的風力發電機組葉片受到雷電襲擊。葉片受雷擊的損壞中，多數在葉尖，是容易被修補的，但少數情況則要更換整個葉片。雷擊風機常常引起機電系統的過電壓，造成風機自動化控制和通信元件的燒燬、發電機擊穿、電氣設備損壞等事故， 所以，雷擊是威脅風力發電機組安全經濟運行的嚴重問題。

2影響機理分析

因風力發電機組所處的地形位置不同，雷擊事故率有所不同，地處山區的風力發電機組其雷擊事故率最高；且雷擊事故中，大部分不是由於直擊雷引起的，而是非直接累積造成的損害。我國東南沿海和北部山區是風能資源豐富的地區；

但該地區地形複雜，雷暴日較多，應充分重視雷擊給風電機組和運行人員帶來的巨大威脅。

風力發電機組遭雷擊受損通常有四種情況，一是直接遭受雷擊而損壞；二是雷電脈衝沿着與設備相連的信號線、電源線或其他金屬管線侵入使設備受損；三是設備接地體在雷擊時產生瞬間高電位形成地電位“反擊”而損壞；四是設備安裝的方法或安裝位置不當，受雷電在空間分佈的電場、磁場影響而損壞。雷電參數包括峯值電流、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。

3風力發電機組防雷改進措施

防雷改進措施包括了外部防雷和內部防雷兩大部分。

3.1外部防雷(直擊雷防護技術)

3.1.1葉片防雷

葉片防雷系統主要是避免雷電直擊葉片本體而導致葉片損害。研究表明：不管葉片是用木頭或玻璃纖維製成，或是葉片包導電體，雷電導致損害的範圍取決於葉片的形式。葉片全絕緣並不減少被雷擊的危險，而且會增加損害的次數。多數情況下被雷擊的區域在葉尖背面(或稱吸力面)。

風力發電機組葉片防雷系統由雷電接閃器和雷電傳導部分組成。在葉尖裝有接閃器捕捉雷電，再通過敷設在葉片內腔連接到葉片根部的'導引線使雷電通過葉片根部傳給葉片法蘭，通過葉片法蘭和變槳軸承傳到輪轂，通過輪轂法蘭和主軸承傳到主軸，通過主軸和基座傳到偏航軸承，通過偏航軸承和塔架最終導入接地網，約束雷電，保護葉片。

3.1.2機艙防雷

在機艙頂部裝設一個避雷針，避雷針用作保護風速計和風向標免受雷擊，在遭受雷擊的情況下將雷電流通過接地電纜傳到機艙上層平台，避免雷電流沿傳動系統的傳導。

3.1.3塔架及引下線

從接閃器到接地裝置的引下線應按有較多並聯的電流路徑且為直線垂直安裝，使其具有最短、最直接的路徑的原則佈置；當塔架為金屬製成或有互相連接的鋼筋網時，可作為自然引下線(但應注意當塔架用放人混凝土內的預應力拉樁

螺栓固定時，不應將這些元件用於接地目的)。也可專設引下線連接機艙和塔架，減輕電壓降，跨越偏航環，機艙和偏航剎車盤通過接地線連接將雷電順利地引入大地。

3.1.4接地網

風電機組的接地裝置一般可採用一種或多種組合：一個或多個環形接地體、基礎接地體(基礎接地體應是可延伸的)、水平接地體或垂直(或斜形)接地體，其所包圍的面積的平均半徑應不小於6m。風力發電機組的混凝土基礎內互相連接的鋼筋網可作為自然接地體。

接地網的設計，常用的方法有：① 增大接地網面積；② 增加垂直接地體；③ 人工改善地電阻率；④ 深埋接地體；⑤ 利用自然接地體；⑥ 敷設水下接地網。要認真分析和比較，通過技術、經濟分析篩選出最佳的降阻方案。

3.2內部防雷技術

3.2.1防雷區(LPZ)的等電位連接

風電機組的過壓保護和等電位連接措施在不同的保護區的交界處，應通過SPD(防雷及電湧保護器)對有源線路(包括電源線、數據線、測控線等)進行等電位連接。其中在LPZ0區和LPZ1區的交界處，採用通過I類測試的B級SPD將通過電流、電感和電容耦合三種耦合方式侵入到系統內部的大能量的雷電流泄放並將殘壓控制在2.5kV的範圍。對於LPZ1區與LPZ2的交界處，採用通過Ⅱ類測試的C級SPD並將殘壓控制在1.5kV的範圍。

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