摘要：当前我国新能源在电力领域的应用水平不断提高，风力发电作为其中的重要代表，我我国电力事业发展奠定了稳定基础。但是风力发电厂建设环境较为复杂，容易受到雷电袭击，对此做好风力发电机组防雷设计至关重要。下面文章及对雷电危害与机组防雷设计展开探讨。
关键词：风力发电；防雷设计；发电机组；机组防雷
引言
随着我国风电行业发展，风电装机规模已经跃居世界第一位，成为我国第三大电力来源。风电装机规模不断增大，风机数量增多，风机箱变遭受雷击的可能性大大增长。由于长期处于野外工作条件，环境恶劣，风电场箱变防雷系统的有效性直接影响防雷效果和抗雷能力。虽然箱变在出厂时已经进行了防雷设计，但其防雷水平与箱变实际安装地点是否匹配，决定了箱变的防雷能力和防雷效果。
1雷电对风力发电机的危害
雷电是直接产生于大气中的，在整个大气环境中含有大量的气体离子，包括正离子和负离子。这些正、负离子在大气中携带微弱的导电性，进而造成大气电场、电流以及雷电的产生。一般雷电现象会比较频繁地发生在较高建筑物、沿海及山地区域。风力发电机为了更多地利用风能，也是布置在山地和海边这些比较空旷的地区，因此风力发电机容易受到雷电的袭击。风力发电机由于需要借助风力获得能源，因此需要建设于比较空旷的区域，并且这一设备本身携带的叶片更需要在比较高的空中才可以，因此也比较容易受到雷电的袭击。当受到雷电的袭击时，设备中的叶片是主要的受袭击区域，雷电损害的部位也主要是在叶片的尖顶部位，很少会使整个叶片都发生损坏。但是风力发电设备的整个花费都非常高，尤其是叶片这部分更是需要较高的成本费用。当受到雷电袭击时，就需要及时维修或者更换新的设备，但是不论是维修还是更换都需要花费一定的费用。当叶片受到雷电的袭击时，会释放出大量的能量，进而导致整个叶片的温度比较高，尤其是叶尖部分的温度会急剧升高，雷电伴随的雨水受到温度的影响，也会产生气化膨胀的现象，进而产生较大的机械力，使得叶尖的结构破损。当受到较为严重的雷电袭击时，整个叶片都会损坏。由于这一袭击造成的不良影响非常大，因此必须做好风力发电设备的防雷电技术，并且随着科技的进步不断更新新的使用设备和使用技术，以维护电力系统的正常运行，为人们的正常用电提供保障。
2风力发电机组防雷设计
2.1加强箱变内部绝缘
箱变690V低压侧绝缘水平低，在雷电过电压下，易出现相对地乃至相间放电并引起短路故障，增大导体间距或增强绝缘提高放电电压，可降低雷电过电压下相对地或相间短路故障的概率。对于防雷改造而言，由于箱变空间有限，主要采用增强绝缘的方式进行改造。由于母排仍有金属导体裸露，绝缘相对薄弱。在雷电过电压下，这些部位会发生放电，进而引起相对地或相间短路故障。根据对故障箱变的分析发现，短路故障多发生在低压开关母排相间，另外母排侧面箱体也有放电或烧穿痕迹。因此，对低压开关母排及其接线端加强绝缘，并对母排附近箱体进行处理。
2.2浪涌保护器的使用
浪涌保护器也叫防雷器，是一种为各种仪器仪表、通讯线路、电子设备等提供安全防护的电子装置。它的作用原理是在极短的时间内导通分流，以避免浪涌对回路中仪表线路和设备的损害。风机若被雷电击中，会在机组内部产生很强的电磁场，其通过线缆传输时会产生浪涌性的过电压和过电流。现代风电机组内部，均安装有大量的电子和微电子集成设备，因而电子电器设备和系统很易被超高的浪涌电压损坏，造成巨大的经济损失。为了避免此种情况的出现，就必须使用浪涌保护器。浪涌保护器可以抑制因雷电引起的信号线路间、电源与接地的金属管线之间的高电位差，能够把进入信号传输线和电力线的瞬时过电压控制在其能承受的电压范围内，同时把过大的雷电流泄流到大地，以防止设备和系统遭受破坏。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆风电机组的防雷应根据GB50343标准规定安装合适的浪涌保护器，一般安装三级浪涌保护器。第一级浪涌保护器安装在塔筒部的总进出线处，其作用主要是将风电机组遭遇雷击后所产生的几万甚至几十万伏的浪涌电压降低到2500V-3000V，防止超高的浪涌电压损坏风电机组的电子电器设备。第二级浪涌保护器一般安装在分配电源处，主要针对第一级浪涌保护器的剩余电压和区域中受到电磁感应影响的设备进行保护。在第一级电涌保护器对直击雷电的能量进行吸收时，总有部分仍能损坏电子电器设备的能量残存下来且可能损坏电子电器设备，这时，第二级浪涌保护器就能进一步吸收这些能量，将浪涌电压降低到1500-2000V。第三级浪涌保护器安装在塔筒内部的信号控制系统处，主要是对雷电电磁脉冲和经过第二级浪涌保护器的剩余雷击能量加以防护，将剩余浪涌电压降低到不超过1000V，以确保浪涌电压不损坏设备。
2.3接地网
接地网是经常用于防雷电的装置，是直接与大地相连，将雷电导入到地下的装置，其接地的性能直接影响了其能否将受到袭击的电流引入到地下。风力发电系统受到本身功能的影响，一般所处的区域的土壤具有较高电阻率，并且土壤的分散性强，因此不能通过降阻剂或者更换土壤等方法解决雷击问题。只能选择在塔架周围放置一个与塔架相连接的铜质环形导体。一般这一导体需要距离塔架0.5m处，其本身的半径需要根据当前的土壤环境等参数予以确定。需注意，对于垂直接地极的选用，最好是选择铜包钢的材质，数量应该具体情况确定，一般为8～16根为宜，将他们均匀地焊接于水平接地极上。
2.4叶片防雷措施
首先，建立孤立避雷塔捕捉雷电保护法。该方法是通过在风力机旁建立一座避雷塔拦截雷电实现的风力机保护。在雷雨天气下，当风向变化不大时，避雷塔应建立在迎风侧，且该方法效果显著。在风向变化较大的风场，必须在风力机周围建立2个或多个避雷塔才可以保证保护效果，但是该方法需要消耗大量的材料，投入较大，经济效益较差。另外，该方法比较适合具有几十台风机的风电场，此时一座避雷塔可以保护多台风机，经济效益可以得到提高。其次，机舱安装避雷针保护法。该方法是通过避雷针捕捉雷电流实现的叶片保护。虽然叶片的长度要比机舱上的避雷针要长，但是避雷针的使用能够有效地减少叶片的损毁程度。机舱上安装的避雷针能够有效地捕捉到一部分雷电，在一定程度上降低了雷电流的大小且降低了叶片遭受雷击的概率。但是在叶片表面受到污染或者盐雾侵蚀之后，叶片表面就相当于半导体材料，此时避雷针的保护效果就会大大降低。另外在叶片与垂直方向夹角为60°时，叶片顶端的高度为机舱和叶片长度一半的和，此时避雷针保护法的效果很显著。因此，通过机舱安装避雷针的方法可以有效地降低风机叶片遭受雷击的损毁。
2.5过电压保护
由于电磁兼容器具有不同的兼容性以及SPD原理，可对塔架底部控制柜内进线安装B+C级SPD。对于通信信号线路塔筒到机舱控制柜的两端，可以分为两种方法。如果应用的是光纤，就可以运用光纤铠装金属层来实现与地面的连接，将电流传向大地。如果接地的是金属导线，则可以选择增设信号系统保护器，可靠接地。
结语
风电场是一个整体，其防雷设计既需要考虑每个机组内部的防雷，如桨叶、机舱、轮毂及电子电气系统的防雷，又要有总体设计思路，这样才能有更好的经济效益和防雷效果，另外还应该认识到科技是不断发展的，只有把新的研究成果和技术不断的应用到风电机组的防雷设计中，才能更有效地减少雷电造成的危害和损失，实现风力发电的可持续发展。
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论文作者:邓刚
论文发表刊物:《电力设备》2019年第22期
论文发表时间:2020/4/13
标签：雷电论文; 叶片论文; 浪涌论文; 防雷论文; 避雷针论文; 机组论文; 袭击论文; 《电力设备》2019年第22期论文;