浅析风电机组直击雷击防护

浅析风电机组直击雷击防护摘要本文结合风电机组防雷的研究成果,对风电机组桨叶、轴承、机舱等的直击雷防雷措施进行较初步的阐述。关键词风电机组直接雷击防雷措施一、前言风能作为一种清洁的可再生能源，日益受到世界各国的重视。中国风能储量很大、分布面广，风力发电产业迅速发展，成为继欧洲、美国和印度之后的全球风力发电主要市场之一。随着风电机组单机容量的增大，风电机组的塔筒越来越高，再加上大型风电机组一般安装于开阔地带或山地，因此风电机组遭受雷击的概率也较大。直击雷是闪击直接击于建（构）筑物、其他物体、大地或外部防雷装置上，产生电效应、热效应和机械力。风电机组遭受直接雷击时，强大的雷电流将在其传输入地的路径上产生热效应和机械效应，对桨叶、轴承和传动部件造成直接和潜在的损坏，引起机组停运事故，危害风电系统的安全可靠运行。因此，在风电机组的防雷设计中，直接雷击防护一直受到十分广泛的关注。本文将介绍机组的雷击特性及桨叶和轴承部件的雷击损坏机理，并对机组的直接雷击防护措施加以讨论。二、桨叶防雷1.雷击对桨叶的损坏。桨叶是风电机组上最容易受到雷击的部件，在整个机组的雷击损坏维修成本中，它的损坏维修费用所占额度最高。桨叶主要有玻璃纤维增强塑料（GRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）、木质、钢和铝等材料组成，其结构常为外壳加内梁的组合形式。由于所采用壳体材料的电阻率相当高，材料本身在正常情况下是不易导电的，但在强大电流作用下就能够产生导电路径。当一片桨叶受到雷击后，在桨叶上出现的放电通道可能有3条，即桨叶壳体外表面、内表面和壳体材料叠层的交界面。雷电流可以通过沿面放电通道直接在壳体外表面上传导，也可以在雷击点处产生一个热溶洞孔，透入洞孔去沿壳体的内表面或材料叠层交界面的沿面放电通道进行传到。雷电流透入洞孔后，沿壳体内部路径传导，传导时常会出现电弧，弧道温度高达30000K，这样高的温度会严重烧毁弧道附近的壳体材料，同时高温也会在壳体内部产生高压力的冲击波，对桨叶壳体产生机械损伤，常使受雷击后的桨叶上出现裂缝，严重时会导致桨叶断裂。在某些情况下，由雷击产生的高压力冲击波不仅会损毁直接受雷击的那片桨叶，甚至还会传递到其他未受到雷击的桨叶上去，使其中的一片或两片桨叶也被损毁，这种严重的雷击事故在国外风电场中已有过多次记录。2.桨叶防雷。传统的桨叶防雷装置，主要由接闪器和引下导体组成。通常将接闪器做成圆盘形状，将其嵌装在桨叶的叶尖部，盘面与叶面平齐，接闪器与设置在桨叶本体内部并跨接桨叶全长的引下导体做电气连接。当桨叶叶尖受到雷击时，雷电流由接闪器导入引下导体，引下导体再将雷电流引入叶根部轮毂、低速轴和塔筒等，最终泄入大地。这种单接闪器加内置引下导体的防雷装置在制造上是比较容易实现的，但现场运行经验表明，它仅对长度不超过20m的桨叶保护比较有效。对于长度大于20m的桨叶来说，将会出现数目较大的非接闪器部位雷击点，使得桨叶材料受到雷电损伤的机会明显增多。为此，一种较为适用的做法是在长桨叶上设置多个接闪器，各接闪器均与内置引下导体做电气连接，如图1-1，1-2所示。这样可以大幅度地改善防雷装置对雷电下行先导的拦截性能，减小桨叶表面非接闪器部位受到的雷击的概率。三、轴承防雷1.雷电流对轴承的损坏。在风电机组受到雷击时，轴承是机组中另一个易于受到雷电流损坏的部件。在桨叶受雷击接闪后，有部分雷电流将从桨叶传导进主轴，流进主轴的这部分雷电流中又有相当一部分流进轴承，雷电流流过轴承后，将会使轴承内的滚子和套圈受到损伤，从而危及轴承的运行可靠性。雷电流对轴承的损坏作用与它在轴承内部传导的路径有很大关系，这些传导路径主要有两条：一条是由轴承圆周上负载区段内滚子与套圈相接触所形成的通路；另一条是由其圆周上无负载区段内滚子与套圈之间的短气隙在被电弧击穿后形成的通路。此外，轴承的旋转运动也会进一步影响到雷电流在这两条传导路径上的传导性能及所造成的损伤程度。2.轴承防雷。轴承防雷的主要途径是轴承前端设置一条与其并行的低阻通道，对于沿轴传来的雷电流实施旁路分流，使雷电流尽可能少地流过轴承。常用导体有滑环、电刷和放电器等。如图2所示。在主轴承齿轮箱与机舱底板之间加装绝缘垫层以阻隔雷电流从这些路径流过，并在齿轮箱与发电机之间加装绝缘联轴器，以阻断雷电流从高速轴进入发电机，这样就可以在很大程度上迫使雷电流从最前端的滑环旁路分流导入机舱底板和塔筒。四、机舱防雷在桨叶上采取了防雷措施后，实际上也能对机舱提供一定程度的防雷保护，但对于从机舱尾后方袭来的雷电下行先导则有可能拦截不到，因此，需要在机舱尾部设立避雷针。机舱尾部避雷针一方面可以有效地保护舱尾的风速风向仪，另一方面可以保护尾部机舱罩免受直接雷击。五、疏通雷电流在遭受雷击时，出于减小雷电流危害作用的目的，总是希望雷电流从桨叶上的防雷装置或机舱尾部避雷针经电刷、机舱底板和偏航系统滑环等环节导入塔筒，再经机组的接地体散入大地。但是，在这条路径上，有两种接触部位会影响到雷电流的顺畅传导，一个是运动摩擦接触部位，一个是静止接触部位。摩擦接触部位是指电刷或滑环所在部位，雷电流从两部分有相对运动的摩擦接触面上通过，在接触面上随着电刷或滑环表面的磨损、接触电阻会增大。另外，大容量机组塔筒都比较高，由若干段连接成整体，如果每两段之间以及塔底与接地体之间接触不够紧密，则这些静止接触部位的接触电阻是可观的。由此可见，必须要采取措施，疏通导流路径，以保证雷电流能够沿该路径顺畅入地。对于电刷和滑环，应采用导电性能好的和耐磨强度高的材料，并在条件允许的情况下尽量增大接触电阻，以加大通流容量，减小接触面积。对于塔筒的每两段之间应进行可靠的电气连接，在筒段圆周上应等距离布置多个跨接导体。塔筒与接地体的电气连接也应设置多处，每处采用专用的连接导体，并保证牢固而紧密地连接。六、结束语雷击是影响风电机组乃至整个风电场安全运行的因素之一。进行风电机组防雷技术的研究是风电研究领域中不可或缺的组成部分，它对保证风电场的安全运行具有重要的意义。参考文献[1]风电发电系统-第24部分：防雷保护.IECTR61400-24.[2]张小青.风电机组防雷与接地.[3]建筑物防雷设计规范.GB50057-2010.