风电机组的防雷保护

　　摘 要 ：随着风电场建设的快速发展，风电场安全运行问题日益受到人们的重视。其中，雷击是影响风电机组乃至整个风电场安全运行的重要因素。本文从雷电的破坏机理和形式入手，对雷电的防护区域进行了划分，提出了风电机组的防雷保护原则，对风电机组的防雷保护系统进行了全面的分析阐述。
　　关键词： 风电机组；防雷保护；防雷设计

　　1 引言
　　风能是当前技术最成熟、最具备规模开发条件的可再生能源，风力发电已成为新能源产业中最重要的组成部分。
近年来，风电机组的单机容量越来越大，为了吸收更多能量，轮毂高度和叶轮直径不断增加；同时，高原、沿海、海上等新型风电机组的开发，使风电机组开始大量应用于高原、沿海、海上等地形更为复杂、环境条件更为恶劣的地区，从而加大了风电机组遭受雷击的风险。据统计，风电机组故障中，由遭遇雷击导致的故障占4%。雷电释放的巨大能量会造成风电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等。风电机组的防雷是一个综合性的防雷工程，防雷设计到位与否，直接关系到机组在雷雨天气时能否正常工作，以及机组内的各种设备是否受到损坏。
　　2 雷电的破坏机理与形式
　　雷电现象是带 异性电荷的雷云间或是带电荷雷云与大地间的放电现象。风电机组遭受雷击的过程实际上就是带电雷云与风电机组间的放电。在所有雷击放电形式中，云对大地的正极性放电或大地对雷云的负极性放电具有较大的电流和较高的能量。雷击保护最关注的是每一次雷击放电的电流波形和雷电参数。雷电参数包括峰值电流、转移电荷及电流陡度等。风电机组遭受雷击损坏的机理与这些参数密切相关。
　　2.1 峰值电流
　　当雷电流流过被击物时，会导致被击物的温度升高，风电机组叶片的损坏在很多情况下与此热效应有关。热效应从根本上来说与雷击放电所包含的能量有关，其中峰值电流起到很大的作用。当雷电流流过被击物时( 如叶片中的导体) 还可能产生很大的电磁力，电磁力的作用也有可能使其弯曲甚至断裂。另外，雷电流通道中可能出现电弧。电弧产生的膨胀过压与雷电流波形的积分有关，其燃弧过程中骤增的高温会对被击物造成极大的破坏。这也是导致许多风电叶片损坏的主要原因。
　　2.2 转移电荷
　　物体遭受雷击时，大多数的电荷转移都发生在持续时间较长而幅值相对较低的雷电流过程中。这些持续时间较长的电流将在被击物表面产生局部金属熔化和灼蚀斑点。在雷电流路径上一旦形成电弧就会在发生电弧的地方出现灼蚀斑点，如果雷电流足够大还可能导致金属熔化。这是威胁风电机组轴承安全的一个潜在因素，因为在轴承的接触面上非常容易产生电弧，它有可能将轴承熔焊在一起。即使不出现轴承熔焊现象，轴承中的灼蚀斑点也会加速其磨损，缩短其使用寿命。
　　2.3 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。
　　2.4 雷电的破坏形式
　　设备遭雷击受损通常有4 种情况：1）设备直接遭受雷击而损坏2）雷电脉冲沿着与设备相连的信号线、电源线或其他金属管线侵入设备使其受损3）设备接地体在雷击时产生瞬间高电位形成地电位“反击”而损坏4）设备因安装的方法或安装位置不当，受雷电在空间分布的电场、磁场影响而损坏。
　　3 雷电防护区域的划分
　　雷电防护区域的提出是为了更好的保护风电机组系统里的元件。机组系统利用半径30m 的滚球法可以分为几个不同的区域。雷电防护系统依据标准制定划分区域，目的是为了减少电磁干扰与可预见的耦合干扰。国际电工委员会（IEC）对防雷过电压保护的防护区域划分为：LPZ0 区（LPZ0A、LPZ0B），LPZ1 区，LPZ2 区，如图1 所示。