摘要：随着社会的发展，我国的风力发电的发展也有了一定的创新。风力发电是一种清洁的可再生能源，近年来快速发展。随着风力机输出功率的逐渐增大，塔筒的高度以及叶片的直径也逐渐增大，但与此同时，也增加了风力机遭受雷击的风险，因此风力机组防雷技术的研究不容忽视。在雷击损坏中，叶片最易遭受雷击，据此，对风力机叶片雷击损坏机理及其防雷措施作了比较全面的阐述，最后分析对比了风力机组的2种防雷系统设计，使整个风机机组雷击损坏降至最低，为风力机防雷设计提供依据。
关键词：风力发电系统；防雷设计；研究
引言
在我国的西南、东南沿海地域，雷暴等自然灾害出现的频率越来越高。伴随着风力发电机组的容积不断加大，雷电对机组的损耗也越来越大。现阶段风电机组的止损防雷问题已经引起了业主、主机厂、叶片生产商等有关单位的关注。根据各零件损耗等级来分类，可知风力发电叶片雷击损耗是众多损耗中最为严重的，其后果为严重的风力发电叶片穿孔、风力发电叶片开裂，甚至造成风力发电叶片的断裂。现有研究成果显示，假设风力发电叶片装置雷电导流条，那么雷电对风力发电叶片的损耗将减少，同时能增加风力发电叶片对雷电的防治能力。
1叶片雷击损坏分析
叶片遭受雷击损坏现象及机理一般有直击雷、球形雷及感应雷3种形式。因为叶片的安装位置最高，是最容易受到雷击的组件，因此叶片的损坏和雷击具有最直接的关系。直击雷造成的叶片损坏通常分为电效应、热效应以及机械效应破坏。叶片开裂（机械破坏）、金属部件熔化或烧坏及复合材料表面灰化（热效应）是叶片遭受雷击之后较为典型的损毁方式。雷电在叶片内形成的电弧会使叶片爆裂或沿前后缘及承载梁处撕裂，这也是最严重的损毁。因此，导致叶片损毁最为严重的是雷电弧在周围形成的压力冲击波，只有通过减轻雷电对叶片的冲击、将雷击通道屏蔽在叶片外部才可以减轻叶片的损毁，在传递雷电流的金属组件面积足够大时也可以减轻叶片的损毁程度。
2导流条接闪特性仿真分析
风力发电叶片的防雷系统通过已经安装完毕的风力发电叶片上的接闪器来传导雷电电流，从而达成定点引雷的目的。由于接闪器是由金属材料构成的接地导电仪器，雷云的出现一般会造成高压环境，很大程度上会发生上行先导与雷电下行先导的并行接触，从而将雷电电流传导于该位置。对风力发电叶片进行雷电电流依附仿真实验分析，在仿真软件中对叶尖上的防雷模型进行3D建模，然后通过实验结果开展雷击依附简析。因接闪器和导流线都是金属制成，都有可能引发上行先导，故实验需要建立在符合风力发电叶片设计原理的基础上。风力发电叶片的叶尖部分用来接引下线，导致叶尖部分周边环境的电势降低，较易把雷电电流传导至风力发电叶片的叶尖部分，但叶尖部分的防范能力是有限的。风力发电叶片装备雷电导流条之后，从仿真实验可以观察到，除风力发电叶片的叶尖部分外，雷电导流条所在区域的电势差有所降低，较易变成雷击依附点，因而加大了风力发电叶片防治雷电的区域。需要注意的是，风力发电叶片的下引线的电势同样是很低的，表明这片区域的上行先导的发生率升高[4]。另外，根据现场被雷击中的风力发电叶片的损耗程度以及对被雷击中的组织结构解剖分析，确认雷电只是打穿风力发电叶片表面部分的钢化玻璃结构，再一次击中其下引线。所以在安装雷电导流条的时候，应该达到该组织对雷电防治的标准。依据仿真实验结果，应该在风力发电叶片与其下引线之间的部分安装雷电导流条，使雷电导流条能够造成更低的电势差区域，才利于雷电导流条接闪。
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3风电机组的等电位连接
为了防止风电机组内部的设备和系统间在雷击时出现危险的电位差，在桨叶与轮毂间，轮毂与机舱间、机舱和塔筒间、尾舵和水平轴间、机舱内和塔筒底部进行等电位连接，以保证操作人员和线路及设备的安全。桨叶与轮毂间，轮毂与机舱间、机舱和塔筒间、尾舵和水平轴间的等电位连接，是用螺栓连接法兰、其他部分采用焊接和铆接的方式进行连接，最终将上述各部件连成一个电气整体，以使雷电流快速的通过引下装置进入风机的接地系统。连接时，所有的过度电阻不能超过0.03Ω。机舱内的等电位连接，是在机舱内设置一个与机舱底座相连的总体等电位接地排，将各种金属管、槽、机架、机柜、线缆的金属屏蔽层、电子电器设备的金属外壳、机舱的接闪引下线、电涌保护器的接地端等全部连接到总等电位接地端子板上；桨叶接闪引下线经过金属滑环连接到机舱底座上。此种连接方法，固然能减少设备和系统之间产生危险电位差，但却可能将部分雷电流引入机组电气系统，造成补偿电容器击穿，可控硅损坏，严重时，可在母排间产生拉弧。为了防止上述弊端的产生，可对机舱等电位连接方法进行改进，具体方法为：制作一个与机舱底座绝缘的机舱总电子电器设备等电位接地的端子板，用一根绝缘的铜芯PE线将机舱总等电位端子板和塔底接地装置进行连接，线缆的金属屏蔽层、电泳保护器的接地端都连到该总接地端子板上，而各种金属管、槽、机架、机柜、线缆的金属屏蔽层、电子电器设备的金属外壳、机舱的接闪引下线等连接到机舱的金属底座上，桨叶接闪引下线经过金属滑环连接到机舱底座上。再用火花间隙型等电位连接器将机舱金属底座和电子电气设备总等电位接地端子板间连接起来。该法的好处是：将直击雷电流散流路径与机箱内的感应雷电流散流路径用火花间隙等电位连接器隔离开来，当直击雷电流很大时，瞬间火花间隙等电位连接器就几乎短路，使系统和设备间的电位差保持在很低的水平，雷电流则大部分顺着PE线到达塔筒底部的接地装置而被散放到大地，这样就可大大减少发电机组的电子、电气系统被雷击损坏的概率。
4接地体的选择
我国风电场接地体使用的导体材料基本都是镀锌钢，而国外广泛使用的接地材料为铜和铜包钢。据美国科学家在45年中对29个试验场地的研究结果表明：不同导体材料的金属接地体的腐蚀情况差异较大。经过10年后：铜和铜包钢材料，接地体腐蚀的平均深度仅为1.13mils，平均每年的腐蚀深度为0.11mils，仅出现了轻微腐蚀；而镀锌钢，其腐蚀深度高达3.50mils，平均每年的腐蚀深度为0.35mils，且有腐蚀点出现在了镀锌层下面的钢上，呈现出严重腐蚀。在风电场的规模和单机发电量都日趋增大的情况下，其投资很大，要求风电机有较长的使用寿命，若因接地体过度腐蚀而使雷电泄流受阻从而造成风机的雷电损坏，其损失将是难以承受的。因而风机生产厂家应重视接地体材料的腐蚀问题，尤其是土壤中含水分和电解质较多的风电场，因这些地方的土壤接地体更易受到腐蚀。
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:彭洪
论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期
论文发表时间:2020/1/14
标签：叶片论文; 雷电论文; 机舱论文; 风力发电论文; 电位论文; 防雷论文; 机组论文; 《基层建设》2019年第28期论文;