[科普中国]-风机防雷系统

简介

风能是一种绿色、安全的清洁能源，也是当前技术最成熟、最具备规模开发条件的可再生能源。近年来，风力发电机组的单机容量越来越大，为了吸收更多能量，轮毂高度和叶轮。直径不断增高；同时，高原、沿海、海上等新型风力发电机组的开发， 使风力发电机组开始大量应用于高原、沿海、海上等地形更为复杂，环境更为恶劣的地区，更加加大了风力发电机组被雷击的风险。据统计，风机故障中，由遭遇雷击导致的故障占到4%。电具有极大的破坏力，雷击释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等故障，给风场带来直接和间接的巨大经济损失，因此风力发电机组的防雷保护已日益引起各个风机制造厂家和风机研发设计人员的重视。风机的防雷是一个综合性的工程，防雷设计的到位与否， 直接关系到风机在雷雨天气时能否正常工作，并且确保风机内的各种设备不受损害2。

雷电的破坏机理与形式雷电现象是带异性电荷的雷云间或是带电荷雷云与大地间的放电现象。风力发电机组遭受雷击的过程实际上就是带电雷—云与风力发电机组间的放电。在所有雷击放电形式中，雷云对大地的正极性放电或大地对雷云的负极性放电具有较大的电流和较高的能量。雷击保护最关注的是每次雷击放电的电流波形和雷电参数。雷电参数包括峰值电流、转移电荷及电流陡度口等。风力发输组遭受雷击损坏的机理与这些参数密切相关3。

1峰值电流

当雷电流流过被击物时，会导致被击物的温度升高，风力发电机组叶片的损坏在很多情况下与此热效应有关。热效应从根本上来说与雷击放电所包含的能量有关，其中峰值电流起到很大的作用。当雷电流流过被击物时（ 如叶片中的导体） 还可能产生很大的电磁力，电磁力的作用也有可能使其弯曲甚至断裂。另外，雷电流通道中可能出现电弧。电弧产生的膨胀过压与雷电流波形的积分有关， 这也是导致许多风机叶片损坏的主要原因。

2转移电荷

物体遭受雷击时，大多数的电荷转移都发生在持续时间较长而幅值相对较低的雷电流过程中。这些持续时间较长的电流将在被击物体表面产生局部金属熔化和灼蚀斑点。在雷电流路径上一旦形成电弧就会在发生电弧的地方出现灼蚀斑点，如果雷电流足够大还可能导致金属熔化。这是威胁风力发电机组轴承安全的一个潜在因素，因为在轴承的接触面上非常容易产生电弧，它就有可能将轴承熔焊在一起。即使不出现轴承熔焊现象，轴承中的灼蚀斑点也会加速其磨损，缩短其使用寿命。

3电流陡度

风力发电机组遭受雷击的过程中经常会造成控制系统或电子器件损坏，其主要原因是存在感应电压。感应过电压与雷电流的陡度密切相关，雷电流陡度越大，感应电压就越高。

雷电防护区域的划分雷电防护区域的提出是为了更好的保护风机系统里的电气部件。风机系统利用半径30m的滚球法可以分为几个不同的区域。雷电防护系统利用标准制定划分区域，目的是为了减少电磁干扰与可预见的耦合干扰。国际电工委员会对防雷过电压保护的防护区域划分为：LPZ0区（LPZ0A、LPZ0B），LPZ1区， LPZ2区。

LPZ0A区有直击雷（绕雷）侵袭的危险，完全处在电磁场环境中，具有雷击电涌破坏的可能。这个区域包括：叶片、机舱罩避雷针系统、塔架、架空电力线、风场通讯电缆；LPZ0B区没有直击的危险，但电磁场环境与雷电电涌没有任何减低。这类区域包括叶片加热部分、环境测量传感器、航标灯未屏蔽的机舱内部、发电机、齿轮箱、冷却系统、电气控制柜、传感器、电缆2。

总结防雷保护是保障风力发电机组安全运转的重要因素。从雷电的破坏机理和形式入手， 对雷电的防护区域进行了划分， 对风力发电机组各部分采取了全方位的防雷保护措施。但是防雷工作任重道远，我们应该不断地提高防雷的可靠性和全面性，不断完善防雷保护措施，来尽量减少雷电的危害2。