风力发电系统防雷技术改进分析

风力发电系统防雷技术改进分析

刘兴汉

大唐黑龙江新能源开发有限公司黑龙江哈尔滨150090

摘要：风力发电作为一项新技术，通过风力发电作为一种可持续的可再生能源用于电力生产，电力资源在全社会生产生活中的比重越来越大。为了提高风力发电的综合效率，必须做好前期的防雷设计，采取可靠的防雷策略，消除雷电灾害带来的危害，提高风电系统运行的安全性和稳定性。

关键词：风力发电系统；防雷；技术

雷电灾害是影响风力发电综合效率的重要因素。它一直是一个重要的研究对象。在设计初期应进行可靠的防雷处理。通过各种保护措施的配合，可以将雷电灾害的影响降到最低，为风力发电系统的可靠运行提供可靠保证。虽然目前有越来越多的防雷技术可供使用，但为了满足风力发电的实际需要，需要在现有的基础上进行持续的研究。

1雷击对风电机组的危害

由于风电机组的特点，其通常需要在海岸、丘陵以及山脊等地区进行大规模的建设，但是这些地区同时也属于雷电的多发地区，在目前风机高度和叶轮直径不断增加的同时，也导致风电机组成为附近地区中的制高点，与其它的高达物体也具有较远的距离，也是导致其容易遭受雷击的主要原因。此外，由于风电机组中存在较多的叶轮和机舱盖等暴露部件，而且这些部件通常由复合材料制成，通常无法承受直击雷或者对直击雷电流进行传导。而且也由于叶片是在不断旋转的，也对导流作用造成不利影响。此外由于雷电具有较大的冲击电流、时间短、雷电流变化梯度比较大以及在较大的冲击电压和较强的电流下会产生交变磁场，甚至导致感应电压在上亿伏以上。对风电机组所造成的危害主要表现为直击雷造成的直接危害、由于雷电奶冲沿着线路进入设备而造成的危害、设备接地体受到雷击时产生瞬间高电位而被损坏、由于设备安装方法和位置出现问题而导致在电场和磁场作用下出现的危害等类型。此危害主要表现在风电机组的叶片在受到抢到的雷击电流作业时会导致叶尖结构内部的温度升高且水分受汽化而膨胀，在此机械力作用下会导致出现叶尖结构爆裂甚至是整个叶片开裂的问题。

2风力发电系统防雷技术要点

2.1叶片

在风电外接系统防雷技术分析中，必须明确叶片、塔架和航空部件是防雷对象。为避免雷击引起叶片内温升和汽化膨胀，必须在叶尖结构上设置排水孔，保证叶片内的湿气能及时排除，避免设备燃烧，甚至影响其他叶片的正常运行。需要注意的是，不是叶片的导电率越小，雷击的概率就越小，而是叶片形式的合理设计。通常，在叶尖结构上安装避雷针，捕捉雷电，然后将过大的雷电电流通过叶室的导电线传到地面，避免对叶片的直接冲击和损坏。此外，还可以在机舱顶部安装避雷针，避免雷击对风速仪和风向标造成损坏。

2.2接地网

接地网也是常见的防雷措施之一。接地网的质量决定了雷电放电效率。一般来说，风力发电系统的场地环境是土壤电阻率高、分散性强的环境，不能用降阻剂和土壤交换方法来处理。为保证风力发电系统建设和运行的经济性和安全性，可以选择在塔架周围0.5m位置安装一个与塔架相互连接的环形铜环导体，并根据土壤电阻率确定环形铜环导体的半径。还应注意的是，需要设置8～16根的垂直接地极,将其与水平接地极进行可靠焊接。

2.3内部系统防雷

内部系统防雷措施主要分为等电位连接、屏蔽隔离以及过电压保护三种，以下对这三种内部系统防雷措施进行阐述：首先是等电位连接，由于风力发电系统一般处于海拔较高的区域，因此其内部的风速计、风标等容易受到雷电灾害的威胁，将它们与外部系统中叶片顶端的避雷针相连接进行等电位接地，如此一来，能够有效避免内部系统遭受雷击的危害。其次是屏蔽隔离，将其科学合理的应用到风力发电防雷系统中可以大幅降低系统中各组件之间电磁耦合的消极影响。风电机机舱中的处理器以及地面控制器为保证实现光电隔离，增强信号传输效率，其电缆必须选用光纤材质。最后是过电压保护，一般情况下，塔底控制柜中的电源系统SPD可选用B-C级，其主要是按照SPD的原理以及不同的电磁兼容性保护区进行划分。

2.4电子信息系统防护

采用电子信息系统防护措施重点是对防雷保护等级进行确定，需要在对其进行设计时按照不同的建筑物电子信息系统的特点、环境、雷电活动规律、设备所在雷电防护区和系统对雷电脉冲的抗扰度、雷击事故受损程度、系统设备的重要性来进行确定和全面规划。首先就是为了对电磁干扰的感应效应进行减少而采用将屏蔽措施在风机与控制室外部进行设置，并联合使用合适的路径进行线路敷设和屏蔽等方式。其次就是针对机舱内各种机柜的防护，组要是通过变桨控制柜、使用双绞线通讯在机舱到变桨柜之间，以及采用在机舱控制室与塔底控制室之间的UPS进线端安装电源避雷器等方式。最后就是针对塔底设备柜的防护。就是在各设备采用三级SPD防护的雷电波防护方式。

2.5过电压保护

基于不同电磁兼容性保护区的划分以及SPD原理,可对塔架底部控制柜内进线安装B+C级SPD。通信信号线塔两端至客舱控制柜，若采用金属线，可增设信号系统保护器；若采用光纤传输，可选用光纤铠装金属层可靠接地。对于风向标、风速仪和环境温度传感器等测控信号线，可以选择在控制柜内加装保护器。

2.6等电位连接

针对风机具有较广的分布面积以及较为恶劣的电磁环境的现状，需要在风机叶片一直到控制室的终端设备都需要进行等电位连接的防雷措施。确保此方式所具有的均压效果满足在风机基础和箱式变压器的基础环型地网上不少于2处连接点的要求。此外，针对穿过各防雷区界面的金属物和系统，还有在一个防雷区内部的金属物和系统来说，其等电位连接还要满足以下要求：就是等电位连接需要在风轮与机舱间、机舱与塔筒间、尾舵与水平轴间应通过铆接、焊接或螺栓连接等部位应用，所用的方式为电气连接或者是单独BVR电缆的连接方式。

2.7引下线

选择引下线的方式引导地下雷击电流，避免对系统结构的破坏。一般情况下，引下线设计可选用风机叶片的金属网格、钢丝和叶片边角，叶片表面的金属导体必须有足够大的横截面，以承受直击雷的冲击，并将雷电电流引至地下而不受损坏。引下线是一种常用的防雷技术。离散闪光连接器安装在叶尖，以保护叶尖结构。内部引下线系统可将雷击电流从叶尖接触器引至叶根，由于叶根与接地体相连，雷击电流最终可输送到地下，保证叶片可靠运行。

结论

综上所述，在风电场运作过程中，受到雷击则会直接影响到风力发电设备的安全运行。由此可见，想要保证风电系统的正常运行，必须针对风电系统防雷技术进行有效的探究。本文通过列举国内发生过的实例，向读者阐述了雷电灾害对风电系统的危害与影响，并且从风力发电系统的外部系统防雷以及内部系统防雷两个角度分别做出了简要的防雷技术分析。我国当前的风力发电领域正处于创新发展阶段，行业与国家应当及时对其发展状态进行调整，基于此，能够较快形成风电行业技术规范。谨以此篇，供相关人员参考借鉴，以期为我国风电系统防雷与接地技术的创新贡献一份力量。

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