风电机组的防雷保护分析

现阶段开发技术最先进，开发规模最大的可再生能源是风能，风电能源已经成为我国新能源产业中不可缺少的组成部分。我国风电机组的装机容量逐年提升，大直径叶轮建设规模不断提升，同时能够在复杂环境中应用的风电机组研制速度加快，使得我国风电机组在海上、高原、丘陵及平原地带广泛建设。雷电释放过程会对风电机组造成巨大的损害，其中包括叶片损坏、控制元器件损毁、绝缘击穿等。分析风电机组的防雷保护，对于保证风电机组在雷雨天气时的正常运行，提升风电机组的安全运行效率具有重要意义。

雷电是带电荷雷云与大地之间的强烈放电现象，而雷电对于风电机组的破坏，可理解为带电雷云和风电机组之间的放电现象。分析风电机组的防雷保护，最重要的是科学判断雷击放电过程中的雷电参数和电流波形，与风电机组破坏关系最密切的包括峰值电流和电流陡度等。

统计雷电破坏对于风电机组的影响，主要表现为以下4种形式，首先是设备直接遭雷击而造成损坏，其次是雷电产生的能量沿着设备中的信号线或电源线侵入内部，导致元器件损坏，再次是接地设备在雷击时遭遇瞬时高电压而损坏，最后由于设备的安装不当，容易受到雷击电场或磁场的影响，导致元器件灵敏度失调。

（1）峰值电流。当雷击电流经过风电机组时，会导致风电机组温度急剧上升，内部元器件容易在热效应的作用下损坏。进一步分析热效应强度，主要是与雷电释放的能量大小有关，这其中最核心的参数就是峰值电流。与此同时，当雷电能量流经风电机组时，会产生较大的电磁力，部分情况下会导致叶片等弯曲断裂。

（2）电流陡度。风电机组在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过电压。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。

在风电机组的防雷保护设计中，应遵循以下4个原则，首先，保证设计的方法与当今的主流设备相适应，其次，在防雷设计中应充分考虑投资的合理性，兼顾经济性，再次，防雷设计应具备较长的使用寿命，最后，尽可能的遵循国际标准和规范，方便系统的后期维护。

现阶段进行风电机组防雷保护所依据的最根本原则是弗兰克林避雷法，即充分发挥避雷设备的特性，引发雷电场的激烈，将雷电引到防雷设备中，达到保护风电机组的目的。在实际应用中，可在叶片的内部和机舱的顶部安装导体装置，并通过主轴、齿轮、机身等设备，将雷电传到大地，释放雷电能量。与此同时为尽可能的降低电磁感应干扰影响，需在保护空间内部增装屏蔽设备和sdp保护设备，并在大尺寸金属件交接部位进行等电位连接。

不同风电机组所处的环境相差较大，应在防雷设计中深入研究所在地的地理环境和气候特点，并分析防电机组的自身结构特性，做到防护措施安全、可靠，切实降低雷击造成的经济和人员损失。

4.1 风电机组叶片防雷保护

风电机组叶片是整个机组中最高的部分，当叶片运行到顶端时，可作为避雷针行程的通道。分析世界范围内风电机组雷击破坏的主要部位，叶片占比最高，针对于叶片的防雷保护，相关研究证明，不论叶片使用钢铁材料，玻璃纤维材料或是木头材料，雷电对于风电机组叶片的损害，主要取决于叶片的形状，与此同时，雷击作用多在叶片的背面。为此可在叶片上加装接闪器进行雷电的捕捉，并通过叶片内置的引线将雷电能量引入大地。

叶片防雷的原理是将叶片上的雷电能量引到轮毂中，并通过轮毂与塔筒之间的等电位连接，将雷电能量释放。现阶段应用效果较好的风电机组叶片防雷方法有以下两种，首先是在叶片的内部或表面安装金属材料，将叶尖的能量引至根部，然后通过轮毂与塔筒的连接施放，另一种是在叶片的表面加装导电材料，使雷电能量在叶片表面传递，避免内部损坏。

具体来看，包括无叶尖阻尼器的防雷结构和有叶尖阻尼器的防雷结构两种，对于无叶尖阻尼器的防雷设计，通常是在叶片的尖部设置金属化物，并将金属化物与叶片内部的铜导线相连，金属化物多采用箔状结构和网状结构。采用此种设计，在雷击过程中可能会造成叶片表面部分的损坏，但不会影响强度和内部结构。对于有叶尖阻尼器的防雷设计，在纤维中预置金属导体作为接闪器，通过由碳纤维材料制成的阻尼器轴与用于启动叶尖阻尼器的钢丝(启动钢丝与轮毅共地)相连接。有叶尖阻尼器的防雷设计遭受雷击的概率更高，这就要求在加工中，尽量增大导电结构的横截面积和导电强度，使电流可以快速安全地导入地下。

4.2 风电机组机舱防雷保护

在采用风电机组叶片防雷保护避免了雷电对于机舱的直接雷击，但也应考虑在机舱的首尾两端加装避雷装置，避免雷电侧击造成机舱穿透，同时在机舱内部实行等电位连接。另一方面，现阶段的风电机组机机舱多使用非金属非导电材料，可在机舱内部使用金属带或金属网制成一个法拉利笼，在一定程度上起到接闪器和屏蔽器作用，通常情况下使用钢丝直径应大于2.5mm，网孔应小于30×30cm。如果风电机组的机舱使用钢板外壳，可以按照国家标准控制钢板厚度，并做好低速轴承和发电机座之间的导电连接。

4.3 风电机组机舱内部部件防雷保护

机舱内部各零部件的基本保护是由钢架机舱底盘提供，主要的零部件使用螺栓与底座金属支架相连，可实现雷击电流的传导。对于不能与底盘相连的所有部件，都应与接地电缆相连。另一方面，发电机和齿轮箱之间应使用柔性绝缘连接，为防止雷击电流经过齿轮箱，可使用接地导线将齿轮箱与机舱底盘的等电位器相连。最后，如果使用柔性阻尼元件连接偏航环和塔筒壁，建议使用扁铜带跨接。

4.4 风向仪传感器防雷保护

风向仪传感器部署在风电机组外部，通常情况下高于机舱主体，工作环境相对恶劣，遭受雷击的概率较大，建议设置一个专用的避雷针，避雷针高度应依据风向仪传感器的高度而定，同时风向仪传感器避雷装置应使用空间面积大于16mm2的铜芯电缆与等电位母线相连。

4.5 轴承防雷保护

通常情况下，雷电作用在机舱和叶片的能量都要通过低速轴承导入塔筒，并进一步完成雷电能量的释放。该种情况相对于雷电电流直接沿着主轴流经发电机组效果更好。由于风电机组的轴承尺寸较大，尽管电流在流经轴承时会造成灼蚀斑点，但不至于短时间内对风电机组的运行造成影响，但长期来看，可能会引发机械摩擦增大，震动和噪声等，缩短风电机组轴承的使用寿命和使用效率。

部分人员尝试使用滑环将电击能量导入塔筒，虽可在一定程度上降低轴承损害，但不能根本上消除轴承的潜在风险，主要原因是滑环与轴承平行，往往只能承载少部分雷击电流，大部分的电流还需要由轴承来承担。

雷击是导致风电机组损害的最主要因素之一，为保证风电机组的安全运行，进行必要的防雷保护措施十分重要。上文介绍了现阶段风电机组防雷保护的原理及主要措施，但应注意到，无论怎样完善上述措施，都不能完全消除雷击对于风电机组的影响。在具体工作中，应加强科研人员和一线工作人员的交流，不断完善防雷保护措施，提升对雷击损害原理的认识，尽量减少雷击对于风电机组的影响。

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