摘要：风电系统作为一种可再生能源,其蕴量巨大,由于风电机常处于空旷地区,所以雷击成为了对风力发电机组危害较大的一种灾害。风能是可再生洁净能源,利用风力发电是当前技术最成熟、最具备规模开发条件的电力资源。随着风力发电机组的单机容量越来越大,为了吸收更多风能,风机的高度随着轮毂高度和叶轮直径增高不断升高,雷击的风险不断增加,可以说雷击已成为自然界中对风力发电机组安全运行危害最大的自然灾害，所以很容易遭到直接雷击,而且风机的控制系统较敏感,很容易受到雷电感应。对此本文浅析了风力发电机组的防雷方案设计。
关键词：风能；防雷系统；方案设计
1 风电系统的防雷特点
随着经济建的高速发展，风电系统的应用已深入至国民经济、建设和人民生活的各个领域。由于这些系统和设备耐过电压能力低，雷电高电压以及雷电电磁脉冲侵入所产生的电磁效应、热效应都会对系统和设备造成干扰和永久性损坏。而雷电对系统和设备的侵害，通常通过地电位反击电闪雷鸣释放的巨大能量,会造成风机叶片爆裂、电气绝缘击穿、自动化控制和通信元件烧毁，因此在防雷设计时，除应考虑防直击雷措施外，还应考虑雷电电磁脉冲的防护措施，建立完善的雷电浪涌过电压保护措施。
在年均发生数次雷电日地区,风电系统的高度与雷击率要成比例，风力发电特点是风机分散安置在旷野,大型风机叶片高点(轮毂高度加风轮半径)达70 m,易受雷击;风力发电机组的电气绝缘低。因此,就防雷来说,其环境远比常规发电机组的环境恶劣。风力发电机组是风电场的贵重设备,价格占风电工程投资60%以上。[1]若其遭受雷击,除了损失修复期间应该发电所得之外,还要负担受损部件的拆装和更新的巨大费用。叶片受雷击的损坏中,多数在叶尖是容易被修补的,但少数情况则要更换整个叶片。雷击风机常常引起机电系统的过电压,造成风机自动化控制和通信元件的烧毁、发电机击穿、电气设备损坏等事故。所以,雷害是威胁风机安全经济运行的严重问题。
2 风电系统的防雷措施
(1) 在配电变压器低压侧加装阀式避雷器或金属氧化物避雷器
风电运行经验和试验研究表明，对绝缘良好的配电变压器，仅在高压侧装设避雷器时，仍会发生由于正、逆变换过电压造成的雷害事故。这是因为高压侧多装设的避雷器对于正变换或逆变换过电压都是无能为力的。所以，需要在低压侧加装避雷器来将正、逆变换过电压限制在一定范围之内。
(2) 采用Y，zn11接线的配电变压器
不管是正变换过电压还是逆变换过电压，均是由于低压绕组中有冲击电流，并在高压绕组中感应出高电压而损坏变压器的。所以若能减小或消除低压绕组中的冲击电流，就能降低或消除正、逆变换过电压。低压绕组采用曲折星形连接或Z形连接可以实现这个目的。由于这种接线饿变压器具有很好的防雷性能，因此被称为防雷变压器。
(3) 在配电变压器铁芯上加装平衡绕组LP一直正、逆变换过电压
根据正、逆变换过电压的基本理论，不论是正变换或是逆变换都是由低压绕组流过冲击的产生冲击磁通引起的。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆为此，可在配电变压器上加装平衡绕组LP的方法来抑制冲击磁通，从而抑制正、逆变换过电压，以保护配电变压器。
3 风电系统叶片的防雷保护
发生雷击时,闪电电流通过所有风力发电机组件传导至地面,由于风力发电机位于疾风区,通常选址在丘陵或山脊上,其高度远高于周围的地形地物,再加上风力发电机安装地点土壤电阻率通常较高,对雷电流的传导性能相对较差,特别容易受到直击雷、侧击雷和感应雷的袭击,因此,对风力发电机组件采取防雷措施是非常必要的。现代风力发电机的防雷通常不同于普通建筑物的防雷,它需要重点解决叶片等雷电防护问题。
在运行中的风力发电机组将会遭受雷击的事却是屡见不鲜,损坏设备,造成巨大损失,甚至危及人身安全。叶片防雷研究雷击造成叶片损坏的机理是:雷电释放巨大能量,使叶片结构温度急剧升高,分解气体高温膨胀,压力上升造成爆裂破坏。叶片必须加装防雷装置。玻璃钢防雷叶片顶端铆装一个不锈钢叶尖,用铜丝网贴在叶片两面,将叶尖与叶根连为一导电体。铜丝网一方面可将叶尖的雷电引导至大地,也防止雷击叶片主体。不管叶片是用木头或玻璃纤维制成,或是叶片包导电体,雷电导致损害的范围取决于叶片的形式。[2]叶片全绝缘并不减少被雷击的危险,而且会增加损害的次数。多数情况下被雷击的区域在叶尖背面(或称吸力面)。通过叶片内腔导引线使雷电导入大地,约束雷电,保护叶片,设计简单和耐用，如果接闪器或传导系统附件需要更换,只是机械性的改换。
4风电系统的过电压保护
包含接闪器和敷设在叶片内腔连接到叶片根部的导引线,叶片的铝质根部连接到轮毂、引至机舱主机架、一直引入大地。叶片防雷系统的主要目标是避免雷电直击叶片本体,而导致叶片本身发热膨胀、迸裂损害。
机舱主机架除了与叶片相连,还连接机舱顶上避雷棒。避雷棒用作保护风速计和风标免受雷击。主机架再连接到塔架和基础的接地网。专设的引下线连接机舱和塔架,减轻电压降,跨越偏航环,机舱和偏航刹车盘通过接地线连接,因此,雷击时将不受到伤害,通过引下线将雷电顺利地引入大地。
风速计和风标与避雷针一起接地等电位;机舱的所有组件如主轴承、发电机、齿轮箱、液压站等以合适尺寸的接地带,连接到机舱主框作为等电位;地面开关盘框由一个封闭金属盒,连接到地等电位。
在机舱上的处理器和地面控制器通信,采用光纤电缆连接;对处理器和传感器,分开供电的直流电源。在发电机、开关盘、控制器模块电子组件、信号电缆终端等,采用避雷器或压敏块电阻的过电压保护。
结论：
不论从实际统计或理论分析都表明,雷害是威胁风力发电机组安全生产和风场效益的严峻问题。风力发电是新兴的行业,至今从防雷研究成果看,风力发电机组的外部直击雷保护,重点是放在改进叶片的防雷系统上，而内部过电压保护则由风机厂家设计完成。我国正在实施风机国产化,而国外风机防雷和过电压设计也不是很完善。所以,在引进吸收过程中,改进风机防雷和过电压设计是必要的。
参考文献：
[1]罗承先;世界风力发电现状与前景预测[J];中外能源;2012年03期
[2]屠富军;双馈电机风力发电系统的仿真实验研究[D];大连海事大学;2012年
论文作者:寇晓蒙
论文发表刊物:《电力设备》2018年第32期
论文发表时间:2019/5/20
标签：过电压论文; 叶片论文; 防雷论文; 雷电论文; 风机论文; 系统论文; 绕组论文; 《电力设备》2018年第32期论文;