风力发电系统防雷技术改进分析

司松

【摘  要】近些年，我国的科学技术不断进步，本文对风力发电系统防雷技术进行分析，需要基于其生产运行特点进行研究，明确雷电灾害对风力发电系统运行状态的影响。以降低雷电灾害事故为根本，对原有防雷技术应用存在的不足和缺陷进行分析，提出具有针对性的应对策略，确保能够维持整个系统的安全可靠运行。本文主要对风力发电系统防雷技术改进策略进行了简单分析。

【关键词】风力发电系统;防雷技术;雷电灾害

引言：作为一种新型的节能技术，风力发电系统在满足人们对电力的需求等方面发挥了重要作用。但是这一技术在应用的过程中容易受到雷电的袭击，进而直接影响了电力系统的正常运行，为人们的生活和生产带来不便。为了进一步提高风力发电系统的使用效率，避免雷电灾害的袭击，就要做好防雷技术。通过利用有效的技术手段规避雷电造成的不良影响，为提高电力系统的安全性和稳定性奠定良好的基础。

1、雷电灾害分析

针对风力发电系统来讲，因为需要以风力资源作为生产根本，必须要建设在野外空旷区域，并且叶片均保持较高高度，这样就决定了其更容易受到雷击影响。叶片为雷击的主要对象一般情况下雷击损害主要集中在叶尖部位，很少会造成整个叶片损坏，其成本非常高，被损坏需要花费较多费用进行维修甚至换新。当叶片遭受雷击后，会释放出大量的能量，过大雷电流会促使叶尖结构内部温度急剧升高，水分受热汽化膨胀，产生较大的机械力，而导致叶尖结构破裂损坏，部分情况下甚至会造成整个叶片开裂。或者是雷击时伴随的巨大声波，导致叶片结构受到损坏。面对雷击对叶片造成的不良影响，必须要加强对风力发电系统的防雷设计，避免叶片被损坏，维持系统的正常运行。

2、风力发电系统防雷技术要点

分析当前雷电引起的多起风力发电设备的损坏可知，其引起损坏的原因大部分都是雷电导致的叶片温度升高，进而产生内部电磁场的变化，致使物体击穿击断。因此，风力发电机避免受到雷击的关键是要确保电流的安全通过，并且可以释放的大地。防雷措施可分为外部防雷措施和内部防雷措施。

2.1外部系统防雷

2.1.1叶片、机航、塔架防雷

电力发电设备在外部的主要构件为叶片、塔架以及机航，做好这些构件的防雷设施尤为重要。受到雷电袭击时，叶片会因温度的升高、内部气体膨胀而产生爆炸，严重时会造成整个设备的烧毁。为了避免这一现象，可以在叶尖顶部设置排水管，即可以将其受到雷击后内部产生的湿气排出，避免了气体的膨胀。此外，叶片本身是具有导电性的装置，但是并不是本身的导电性越小而被雷电袭击的可能性就越小，雷电对于整个设备的损害取决于叶片的形式。因此，可以在叶尖顶部安装接闪器。这一设备具有导电的功能，可以在叶片受到袭击时捕捉闪电，然后将这些雷电引入大地，避免了雷电直接对叶片造成的损害。此外，在机舱的顶部安装避雷针是避免风速计以及风标被损坏的重要措施，通过专门设置的引下线将机舱以及塔顶做好连接，雷击发生时并不会被电流损坏，从而可以将雷电击中的电流顺利地引入到大地。

2.1.2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。

2.2内部系统防雷

2.2.1屏蔽隔离

采取屏蔽隔离的方法来降低元件之间的电磁耦合影响，一般可以通过光纤电缆来连接机舱上处理器与地面控制器，而对于处理器和传感器来讲，则需要应用分开供电的直流电源。就实际处理效果来看，可靠的屏蔽隔离可以保证较高质量的信号传输。

2.2.2等电位连接

就历史数据来看，风速计、风标等也是容易遭受雷击的关键部位，这样为向其提供可靠保护，可以采取等电位连接的方法处理。将容易遭受直击雷影响的部位与避雷针进行等电位接地，尤其是机舱内所有金属设备和外部导体，与机舱主框连接作为等电位，与接地装置可靠连接。并且基础接地体与环形接地体顶端接线夹需要接入到塔架内部，与标记的等电位连接带进行连接，提高防雷保护效果。

2.2.3过电压保护

基于不同电磁兼容性保护区的划分以及SPD原理，可对塔架底部控制柜内进线安装B+C级SPD。而对于通信信号线路塔筒到机舱控制柜的两端，如果应用的为金属导线，可以选择增设信号系统保护器;而如果应用的为光纤传输，则可以选择对光纤铠装金属层来可靠接地。对于风向标、风速仪及环境温度传感器等测控信号线路，则可以選择在控制柜内增设保护器。

2.2.4引下线

选择引下线的方式来将雷电流导入地下，以免对系统结构造成损坏。一般可以选择风电机组叶片中金属网格、钢丝与电机组叶片边角作为引下线设计，且要求叶片表面金属导体必须要具有足够大的断面，能够承受直击雷影响，在不被损坏的情况下将雷电流导入地下。引下线为比较常见的一种防雷保护技术，在叶片尖端安装离散接闪器，对叶尖结构提供保护。内部引下线系统能够将雷电流从叶尖接闪器部位引到叶片根部位置，并且因为叶片根部设置与接地体的连接，最终可以将雷电流导入地下，确保叶片可靠运行。

2.3主动避让雷电

加强雷电的预警，当雨云进入风电场时，风机及时停止工作，并使风机桨叶停在最不容易接闪的位置，如相对水平处，这样就可以大大减小桨叶被雷电击中的可能。因风机在工作时的运转较快，尤其是暴风雨来临时，其运转速度更快。运转中的风机，第一易于接闪，第二叶片和机舱处于旋转状态时，不易导流，第三风机在静止状态和快速转动情况下被雷电击中被破坏的程度差别极大，桨叶快速运转时，其动量和惯性都很大，遇上雷电强大的机械作用和热作用，很可能将风叶彻底破坏，而风叶在静止状态下接闪，则造成的破坏一般较小，修复容易，费用较低。另外，在风机遭遇雷击时，及时地切断电子电气线路，也可防止雷电形成的过电压通过线路传到相邻风电机组，使其遭受损坏。

3、结语

雷电灾害是影响风力发电综合效率的重要原因，一直都是重点研究对象，需要在前期设计阶段做好可靠的防雷保护处理，通过多种保护措施的相互配合，将雷击灾害产生的影响控制到最小，为风力发电系统的可靠运行提供可靠保障。虽然现在可以选择的防雷保护技术越来越多，但是为满足风力发电实际需求，还需要在现有基础上持续研究。

参考文献：

[1]王宇，王建国，周蜜，等.双接闪器叶片风电机组缩比模型雷击附着特性[J].中国电机工程学报，2018，38（18）：5307-5315.

[2]陶世祺，张小青，耀武，等.考虑后续雷击的风电机组雷电暂态研究[J].中国电机工程学报，2018，38（18）：5326-5334.

[3]牛 峥，李丹丹，许旌玮，等.风力发电系统防雷技术改进分析[J].中国新通信，2019，21（5）：139.

[4]陶世祺，张小青，王耀武，等.直接雷击时风电机组的暂态响应分析[J].太阳能学报，2017，38（10）：2675-2682.

（作者单位：辽宁龙源新能源发展有限公司）