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摘要:本文探讨了风力发电机组的防雷技术，从直击雷对风力发电机组的危害的后果分析，探讨了其对应的防雷措施。
关键字：风力发电机组；直击雷；措施
1.直击雷对风力发电机组的危害作用
在遭受直接雷击时，强大的雷电流从雷击点流入被击物体，产生的热量能够在雷击点范围内及电流通路附近引起很高的温度，可以造成金属物体熔化或非金属物体的烧毁，这就是雷击热效应危害的典型表现。一直以来风力发电机组的直击雷的防护都是利用机组的金属部分接闪，通过转动和非转动系统部件间的放电间隙过渡，流经引下线，然后通过良好的接地装置迅速而安全地引入大地。机组上，桨叶、轴承和机舱特别容易遭受直击雷，下面就这三个部位进行相应的分析。
2.桨叶的防雷措施
传统的桨叶防雷装置，主要由接闪器和引下导体组成。通常将接闪器做成盘形状，将其嵌装在桨叶的叶尖部，盘面与叶面平齐。当桨叶叶尖受到雷击时，雷电流由接闪器导入引下导体，叶片根部通过截面积不小于70mm2的铜芯电缆连接到轮毂，通过放电间隙把雷电流从叶根部轮毂引至机舱主机架和塔筒等，最终通过引下线泄入大地。现在的大型风机使用的叶片,从结构上可分为两大类型:定浆距失速型风机和变桨距风机,前者广泛使用的是有叶尖阻尼器结构的叶片,后者则采用无叶尖阻尼器的叶片。
（1）无叶尖阻尼器的叶片防雷结构
对于无叶尖阻尼器的叶片，一般是在叶尖部分的玻璃纤维外表面预置金属化物作为接闪器，并与埋置于叶片内的铜导体相连（50mm2铜导体与叶根处的金属法兰连接）。外表面金属化物可以采用网状或箔状结构。雷击可能会对这样的表面造成局部熔化或灼蚀损伤，但不会影响叶片的强度或结构。
（2）有叶尖阻尼器的叶片防雷结构
在有叶尖阻尼器的叶片，通常是在叶尖部分的玻璃纤维中预置金属导体作为接闪器，通过碳纤维轴与用于兼作引下导体的刹车控制线（缆）连接，这种结构可以耐受200KA的冲击电流实验而叶片却不会损伤。虽然这种叶片是金属结构组成的，雷击概率比绝缘材料制成的叶片高，只要要求导电结构有足够的强度和横截面积安全的将雷电流引入大地就可以了。
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，但在实际运行经验上，它仅对长度不超过20米的桨叶保护比较有效。其主要缺点是仅有一个接闪器可以接闪，接闪器的面积与整个桨叶叶面相比是很小的，因此很难保证接闪器是桨叶上唯一的接闪点，可能有一部分雷电流在桨叶表面的非接闪部位发生闪击，及叶尖以下遭受雷击。当叶尖以下部位受到闪击时，雷电流会沿桨叶表面发生沿面闪络到达叶尖的接闪器或叶根部，也可能将桨叶材料击穿，从雷击点传入以下导体，这两种雷电流传播路径都会使桨叶材料受到破坏。
为了克服这一缺点，可以在桨叶表面镶嵌一条金属带，这种金属带可以通过在桨叶表面上喷涂金属层或嵌装金属纤维编织网来设置，如图4所示。与单接闪器装置相比，这种做法能有效的拦截雷电下行先导，减小桨叶材料受到闪击损伤的概率。但是，这种做法难以保证金属网在整个桨叶长度范围内都与其表面保持紧密接触和牢固粘合，雷电流将会在接触不紧密的脱离部位对桨叶材料造成损伤。
对于长度大于20米的桨叶，采用单接闪器加内置导体的做法通常不能满足防雷可靠性的要求，同时金属网带也难以完美的粘合在桨叶表面。对于在茶卡风力发电场中的风力发电机桨叶有40米长，为此，一种实用的做法是桨叶上设置多个接闪器与内置引下导体作电气连接，如图5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效率。目前该做法在兆瓦级机组的桨叶上已投入实际应用。
为了更可靠地保护桨叶免受雷电伤害，在长桨叶的前、后缘及两面中央等部位沿全长装设多条金属层，如图1所示。该图中涂黑的部分为金属层，以便全方位地进行接闪导流，减轻桨叶材料受到雷电损伤的严重性。
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图1桨叶上设置多条金属层
3.轴承的防雷措施
轴承防雷的主要途径是在轴承前端设置一条与其并行的低阻通道，对于沿轴承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，常用导体滑环、电刷和放电器。制造商曾经使用碳刷来设置旁路分流，但是碳刷易产生电弧，加剧其磨损，是接触电阻大，分流作用减弱。为了克服这一缺陷，改用同质电刷，但同质电刷造价高，接触电阻维持在一定的阻值，只能旁路分流一部分雷电流，仍有一部分流过轴承。因此，可采用旁路分流和阻断隔离相结合的方式来加以综合治理。在主轴承齿轮箱与机舱底板之间加装绝缘垫层以阻断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。
4.机舱的防雷措施
现代多数风机的机舱罩是用金属板制成,这相当于一个法拉第罩,起到了良好的防雷保护作用,并且在机舱罩后部设置了一个高于风速、风向仪的避雷针,用以保护风速、风向仪,并且保证即使风机的机舱直接被雷击时雷电也会被导向塔架而不会引起损坏。如果叶片没有防雷保护,则应该在机舱的首尾端同时设置避雷针。机舱罩及舱内的各部件均通过50mm2铜导线与机舱底板连接,旋转部分的轮毂,通过碳刷经铜导体与机舱底板连接,机舱底板通过偏航系统上的滑动环与塔架相连,以确保雷电流可以迅速导入塔架。对于塔筒的每两段之间应进行可靠的电气连接，在塔筒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。
5.结束语
目前,国内各风力发电场对风机防雷还没有一套完善统一的设计方案,雷击仍然是影响风力发电机组正常运行的主要自然灾害之一，本文探讨在风力发电机组在直击雷防护的措施，对风力发电机组各个部位应采取的措施进行了分别阐述，以期为今后风力发电机组直击雷防护编制方案时提供参考借鉴。
参考文献：
[1]张小青.风电机组防雷与接地.[M].北京：中国电力出版社，2009.
[2]王丽广.风电机组的防雷保护[D].湖南：中国南车集团株洲电力机车研究所,2008.
[3]康春华，张小青，王芳.风电机组的防雷问题[D].北京：北京交通大学新能源研究所,2006.
论文作者:余秋实,朱方林
论文发表刊物:《防护工程》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/17
标签：桨叶论文; 防雷论文; 雷电论文; 机舱论文; 叶片论文; 导体论文; 金属论文; 《防护工程》2018年第23期论文;