雷电流对风电机组的危害及安全防护措施

雷电流对风电机组的危害及安全防护措施

发表时间：2019-07-09T15:27:46.660Z 来源：《电力设备》2019年第6期作者：黄伟信姚崧奇周林

[导读] 摘要：雷击灾害是自然界中对风电机组产生物理危害的重要威胁之一，并且可能导致风电机组不能安全运行。

（广东省阳江市气象局广东阳江 529500；阳西县气象局广阳江 529800）

摘要：雷击灾害是自然界中对风电机组产生物理危害的重要威胁之一，并且可能导致风电机组不能安全运行。本文主要结合实际情况，分析了雷电对于风电机组的危害，并提出了一些防护措施，以供相关部门参考。

关键词：雷电流；风电机组；危害；防护措施

当今社会，资源日益紧张的现象越发明显，风力发电凭借高效清洁的特点，逐渐受到人们的青睐。我国的风力发电多年以来已实现翻番增长，并且还在迅速发展，全国各地都争先恐后地开发风力发电项目。在这样的大好形势之下，相关专家表示，在发展风电行业的同时也要注意在防雷接地方面的措施，若没有处理妥当，有可能会引发风电机组发生雷击事故。

1、风电机组雷电防御的概述

风电机组的构造、材质以及安装方式在很大程度上决定了其遭受雷电灾害的可能性较大，随着现代科学技术的不断进步，风电机组的单机容量也逐渐变大，为了可以吸收更多能量，轮毂高度与叶轮直径也越来越高，风机的安装高度与安装位置致使其成为了雷击的首选通道，同时风机内部也集中了大量较为敏感的电子、电气设备，如果遭遇雷击，必将带来巨大的损失。可见，为风机内的电子、电气设备安装完善的防雷保护装置是非常有必要的。通过安装相应的防雷保护系统，使设备得到保护，从而减少维护与维修的费用，并且能够提升设备正常运行的时间。站在效率的角度去看，应该从风电机组的设计之初就将防雷保护的问题考虑在内，如此一来就能够有效避免日后昂贵的维修费用，减少工程改造。只有设备的高效运行才可以将投资尽快收回，也只有这样，才能吸引更多的投资者接收这一项目。

2、雷电的形成

雷电的形成是由于空气汇中的冰晶、尘埃等物质在云层中翻滚时，经过一些较为复杂的过程，使这些物质分布带上正电荷或是负电荷。经过一系列的运动，带着相同电荷的质量相对较重的物质会到达云层的下部，带着相同电荷质量相对轻一点的物质会到达云层的上部。如此一来，同性电荷的汇集就产生了一些带电中心，当异性带电中心之间的控制遭到强大电场击穿的时候，就产生了“云间放电”（即为雷电）。

带负电荷的云层向下移动接近地面时，地面的凸出物、金属等会被感应出正电荷，随着电场的不断增强，雷云向下形成下行先导，同时地面上的物体会形成向上闪流，两者相遇就会产生对地放电，此时非常容易引发雷电灾害。通常雷击的有三种形式：直击雷、感应雷、球形雷。雷电灾害主要有以下4个特点：

（1）雷电流的变化梯度较大：雷电流变化梯度有时可高达10千安/微秒。

（2）发生时间较短：雷电分为3个阶段，即为先导放电、主放电、余光放电，整个过程的发生时长不会超过60微秒。

（3）冲击电流大：雷电产生的电流高达几万至几十万安培。

（4）冲击电压较高：强大的电流形成的交变磁场感应电压可达上亿伏。

3、雷电流对风电机组的危害

风电机组设备遭受雷击损害的形式通常分为4种：第一种是由于直接遭受雷击而受到损坏；第二种是雷电脉冲沿着连接设备的一些信号线、电源线等金属管线侵入设备，从而使设备受损；第三种是由于设备接地体在雷电发生时形成的瞬间高电位产生的地电位反击而受到损坏；最后一种情况是因为设备安装位置或者安装方法不当，使其受雷电在空间分布的电场、磁场影响而造成损坏。

由于风力发电机组的叶片位置相对较高，因此叶片无疑是最容易遭受雷击损坏的部件，其他部件遭感应雷与球形雷的风险也会随之增加。风力发电机组的叶片是其中最为昂贵的部件之一，大多数的雷击事故都只是对叶片的叶尖部分造成损坏，叶片整个损毁的情况较少。叶片遭受雷击损坏主要分为两个方面：第一是雷电击中叶尖之后，释放出大量的能量，强大的雷电流致使叶尖部分的内部构造温度急速上升，水分受热汽化膨胀，进而形成巨大的机械力，导致叶尖结构爆裂破坏，甚至使整合叶片发生开裂的情况。另一方面是由于雷电形成较大的声波，对叶片的构造产生冲击破坏。

4、风电机组的雷电安全防护措施

4.1采用先进的防雷电材料

根据雷电对风电机组设备的破坏特征，实验证明减少被击物机构的内部阻抗，对形成通路就能够避免遭受雷击破坏。针对这一特征，在叶片上翼面符合材料中添加有着较好导电性能并且比重较轻的碳纤维，同时在叶尖的位置安装一个接闪器，利用电缆与叶片法兰连接，再由轮毂通过塔架内的接地线入地网构成雷电通道（若通道内转动部分导电性能不能达到相应的导电要求，可安装导电滑环进行解决）。当雷击击中叶片的时候，强大的雷电流通过雷电通道安全泄入大地，进而实现雷电的安全防护，达到避雷效果，避免雷电对叶片以及其他设备产生损坏。这种做法其实是将叶片当作引雷针，将周围的雷电引来并提前放电，所以尤其要注意雷电通道的阻抗要非常小，连接导线要有足够的导电截面以及较好的导电性，接地网一定要确保尽量小的阻抗值。

4.2通过避雷网进行雷电防护

通过避雷网对雷电进行防护，将风场被全部建筑工程基础以及地桩间通过导电截面足够的金属导体连接为一体形成较为可靠的有着低电阻的接地网，接地电阻越小越好。因为对地电阻小，强大的雷电流可以迅速散流至大地，进而使设备免受高电压、强电流的冲击，进一步对设备起到良好的雷电防护效果。

4.3通过防雷器对雷电进行防护

防雷器即为电涌保护器，在风力发电机组电力电缆与通讯控制线线路上安装相应的防雷器，就可以将因雷电感应而侵入的电力电缆线、信号传输线的高压限制在一定的安全范围之内，确保设备不被击穿，进而达到雷电防护的效果。除此之外，由于通讯设备比较脆弱、抗干扰能力相对较差，为了能够避免雷电产生的影响，建议风力发电机组与风场监控系统的通讯联系使用光纤传输。

4.4通过新技术对雷电进行监测

在叶片上嵌置光导纤维，同时配备综合配套的软件系统，对叶片上的温度、载荷、潜在破坏以及断裂、雷电打击等情况起到连续不间断的全天候的监测作用，并且提供适时的预警或是维修警告，而无需停机检查，对风机实施优化运营与使用，从而提高运行的稳定性和可