王皓 胡军
摘 要：目前风力发电机组的高度可超过100m，受地理条件的限制，大多数风力发电机修建在沿海或地势较高的地方，增加了遭受雷击的风险。遭受雷击之后的修理费用投入较大，已经超过了发电厂的承受范围。要想维护风力发电机组的稳定性，应从降低雷击灾害对其的破坏性入手并进行防护研究。应针对发电机组周围的环境状况的不同，制定相应的防雷保护措施，才能有效维护电路的稳定运行。
关键词：防雷保护 维护电路 风电机组
中图分类号：P427 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）07（b）-0109-02
我国国土面积广，风能资源十分丰富，风力发电机组可能处于各种各样的环境下。近年来，我国致力于提高中东部和南方地区陆上风能资源的利用率发电机组周围的环境不同，制定不同的防雷保护措施。
1 风电机组的雷击风险分析
风电机组的外露部分包括叶片、轮毂、机舱、塔架等。叶片作为接收风能的装置，位于整个机组的最高处，对于整个机组来说至关重要。轮毂的作用是固定叶片，叶片转动产生动能，通过轮毂传递到机舱内部。机舱内有齿轮箱、发电机等核心设备，可以将动能转化为电能供用户使用。塔架支撑起叶片、轮毂和机舱，通常内部是空的，包含许多外接电缆，并且设有脚手架等通道，供维修人员使用。
产生雷暴现象时，风电机组极易出现接闪的情况。此时风电机组上方积聚了大量的雷云，此时大地会出现感应电荷，由于风电机组往往建在高山地区，处于较为突出的位置，在雷暴环境中产生一个极不均匀的电场极，并伴有尖端放电现象。强力的电流击穿风力发电机与雷云间的游离空气，极易发生回闪放电现象，风力发电机作为导体，将雷电流引入大地。
1.1 雷击危害
风电机组遭受雷击时，会导致其剧烈的放电，严重损坏风电机组设备。雷击灾害包括两种类型：直击雷和间接雷击。直击雷会产生电效应、热效应和机械效应，破坏风电机组的正常运行;间接雷击是人们通常所说的二次雷击，产生的雷电感应会造成严重破坏，包括静电感应、电磁感应和雷电反击。
1.1.1 直击雷对风电机组的危害
若物体直接遭受到雷击，会在一瞬间接收到十分强大的电流，在雷击点某个范围内，电流产生的热效应导致温度骤然上升，其热量足以融化金属。风力发电机组遭受雷击时，会将雷电流引入大地，由于雷电流具有高幅值的特性，雷击点的温度在短时间内大幅度上升，且无法做到迅速冷却，极有可能融化损毁风力发电机的装置，此时机舱内产生大量水汽并迅速膨胀，严重时可能导致发电机爆炸，给发电厂造成巨大的损失。
1.1.2 间接雷击的危害
静电感应对风电机组的危害。雷云聚集时，风力发电机的外壳会附着许多感应电荷，产生雷暴现象的过程中，先导通道中的电荷与地表电性相反的电荷发生碰撞，从而中和了风力发电机的电性，感应电荷没有了约束，变成能自由移动的电荷。自由电荷处于游离状态，没有固定的移动方向，不能在短时间内离开发电机，会在局部产生较大的电位差。自由电荷经过风塔被引入大地的过程中，由于高电压的产生，在某些接触不良的金属部件之间会引起电火花，导致设备发生故障，并且存在火灾隐患。
1.1.3 电磁感应对风电机组的危害。
雷击灾害发生时，风塔将雷电流引入大地，风塔内部会形成一个强大的暂态脉冲磁场。由电磁感应定律可知，周围的设备受脉冲磁场的影响，会出现过电压和过电流，导致风塔内的电子设备出现故障，无法进行操作。
1.1.4 雷电反击对风电机组的危害。
发电机组与附近设备共用一套接地体，雷电击中风电机组时，接地体中有强大的雷电流通过，电位也随之升高。雷电反击现象会导致多个金属体之间出现连锁反应，对设备甚至人身安全造成严重威胁。暂态电位升高使接地体周围土壤的电压下降，地面的不同两点之间出现电位差，电位差增大到一定程度时，若有人员经过时可能发生跨步电压和接触电压触电，存在巨大的安全隐患。
2 风电场防雷保护措施研究
现代防雷技术强调保护措施的全面性，针对防雷击过电压，需要制定一套系统的防护方案，进行多层保护，综合考虑实际情况，利用接闪、引下、分流、接地等方式，为瞬间通过的脉冲电流提供一条路径，防止雷电流对磁场和电场进行干扰，避免电子设备遭受破坏。风电机组可以使用以下方法进行防雷击保护。
2.1 对直击雷的防护措施
2.1.1 接闪
风力发电机的叶片往往处于整个发动机最高的位置，最有可能成为雷击点。制定风力发电机的直击雷防護措施时，往往直接将叶片作为接闪器，随着科学技术的发展，目前风力发电机的叶片多选用复合材料，结构是中空的，发生雷击现象时，会烧毁雷击点周围的金属配件，叶片遭到损毁，且容易在内部产生电弧，使叶片受到严重的破坏。因此将叶片作为接闪器时，必须将雷电流导向轮毂，选择传导能力良好的材料至关重要，可以使用传导材料制造叶片，或在其表面固定金属导体。风力发电机的机舱设有发电机和控制系统，当其受到雷击时，可能直接导致风电机组瘫痪，解决办法是在机舱上部放置接闪杆，位置必须比风向仪高，降低直击雷毁坏发电机的风险。
2.1.2 接地
接地在风力发电机防雷保护措施中至关重要。风电场所处位置多为山区高地，存在土层结构复杂多变和土壤垂直分层的情况，大大增加了土壤的电阻率，必须科学设置接地网。施工过程中要适当地换土，采用降阻剂，加大接地体埋深等，接地体的埋入地点必须满足电阻率低的要求，确保将电流顺利引入大地。
2.2 对雷电感应的防护措施
2.2.1 过电压保护
雷电击中发电机时，会在极短的时间内产生较强的电压电流，过电压保护是在一定区域范围内，确保导电部件之间的电位处于相同水平，以电源传输线作为通道，将雷电流迅速引入大地。在风机和箱变的电源传输线、信号传输线的关键部位，以及敏感设备的接口处，都要求配置电涌保护器，采用层层防护，抑制过电压的形成，使雷电流在瞬间快速通过，保护设备不受损坏。
2.2.2 等电位联结
等电位联结具有均压屏蔽的功能，其原理是建立金属的法拉第笼，保护风力发电机组内部的设备，雷击现象会使设备之间产生电位差，等电位联结能够使电位恢复平衡并削弱机组内部的磁场强度。发电机内部的重要组件之间应建立等电位联结，例如主轴承、齿轮箱以及发电机等。
2.2.3 设置合理的警示标识
风力发电机组大多远离市区，处于无人出没的野外山区，风塔、升压站接闪杆等位置容易产生接触电压和跨步电压，有必要在附近设立警示牌，提醒经过的人员保持安全距离，避免发生触电事故。野外作业时必须明确天气信息，做好防护措施，禁止在雷电环境中操作。
3 結语
科学技术在不断地发展，随着风电机组高度的增加，配置的设备价格也越高，雷击灾害为风电机组带来的损失不容小觑。风电场往往处于地势较高的山顶，土壤电阻率大，对雷电流的引流造成阻碍，增加了雷击对其造成毁坏的可能性。各个季节都有可能发生雷电活动，其中夏季是雷电的高发时段，且雷电的破坏性较强，应做好防护措施。雷击分为直击雷和间接雷击，都会对风力发电机组造成损坏，对风力发电机组的防护应从这两方面入手。确保接闪和接地的有效性，为雷电流提供最短最快的路径，使其快速脱离风电机组;过电压保护和等电位联结可以避免感应雷对发电机组造成破坏，维护机组内部设备的稳定运行;风电场周围设立警示牌，工作人员规范操作，确保人身安全。结合风电场周围的自然环境，分析雷电活动的分布规律，对雷击灾害进行预判，根据当地风电场的特点制定防雷保护措施，为其他陆地风电场的雷击风险分析、防雷设计方案等提供参考案例。
参考文献
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