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由于现代科学技术的迅猛发展,风力发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随着增高,风机的高度和安装位置决定了它是雷击的首选通道,而且风机内部集中了大量敏感的电气、电子设备,一次雷击带来的损坏将是非常大的。因此,必须为风机内的电气、电子设备安装完整的防雷保护系统。
1、雷电对风电机组的危害
雷电对风电机组的危害风力发电机通常位于开阔的区域,而且很高,所以整个风机是暴露在直接雷击的威胁之下,被雷电直接击中的概率是与该物体的高度的平方值成正比。兆瓦级风力发电机的叶片高度达到150m以上,因此风机的叶片部分特别容易被雷电击中。风机内部集成了大量的电气、电子设备,可以说,我们平常用到的几乎每一种电子元件和电气设备,都可以在一台风电机组中找到其应用,例如开关柜、马达、驱动装置、变频器、传感器、执行机构,以及相应的总线系统等。这些设备都集中在一个很小的区域内。毫无疑问,电涌可以给风电机组带来相当严重的损坏。
以下的风力发电机数据由欧洲几个国家提供,其中包含了超过4000台风力发电机的数据。表1是德国、丹麦和瑞典三国这些事故的汇总表。由雷击导致的风力发电机损坏数量,每100台平均每年3.9次到8次。从统计数据上显示,在北欧的风力发电机组中,每100台每年有4-8台遭受雷击而损坏。值得注意的是:虽然损害部件是不相同的,但是控制系统部件雷击损坏占40-50%。
2、雷电的破坏形式
设备遭雷击受损通常有4种情况,一是,设备直接遭受雷击而损坏;二是,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;三是,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;四是,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、内部防雷保护措施
防雷保护区概念是规划风力发电机综合防雷保护的基础。它是一种对结构空间的设计方法,以便在构筑物内创建一个稳定的电磁兼容性环境。构筑物内不同电气设备的抗电磁干扰能力的大小决定了对这一空间电磁环境的要求。
作为一种保护措施,防雷保护区概念当然就包括了应在防雷保护区的边界处,将电磁干扰（传导性干扰和辐射性干扰）降低到可接受的范围内,因此,被保护的构筑物的不同部分被细分为不同的防雷保护区。防雷保护区的具体划分结果与风电机组的结构有关,并且也要考虑这一结构建筑形式和材料。通过设置屏蔽装置和安装电涌保护器,雷电在防雷保护区0A区的影响在进入1区时被大大缩减,风电机组内的电气和电子设备就可以正常工作,不受干扰。
内部防雷保护系统是由所有的在该区域内缩减雷电电磁效应的设施组成。主要包括防雷击等电位连接、屏蔽措施和电涌保护。
4、防雷击等电位连接
防雷击等电位连接是内部防雷保护系统的重要组成部分。等电位连接可以有效抑制雷电引起的电位差。在防雷击等电位连接系统内,所有导电的部件都被相互连接,以减小电位差。在设计等电位连接时,应按照标准考虑其最小连接横截面积。一个完整的等电位连接网络也包括金属管线和电源、信号线路的等电位连接,这些线路应通过雷电流保护器与主接地汇流排相连。
5、屏蔽措施
屏蔽装置可以减少电磁干扰。由于风力发电机结构的特殊性,如果能在设计阶段就考虑到屏蔽措施,那么屏蔽装置就可以以较低成本实现。机舱应该制成一个封闭的金属壳体,相关的电气和电子器件都装在开关柜,开关柜和控制柜的柜体应具备良好的屏蔽效果。在塔基和机舱的不同设备之间的线缆应带有外部金属屏蔽层。对于干扰的抑制,只有当线缆屏蔽的两端都连接到等电位连接带时,屏蔽层对电磁干扰的抑制才是有效的。
6、电涌保护
除了使用屏蔽措施来抑制辐射干扰源以外,对于防雷保护区边界处的传导性干扰也需要有相应的保护措施,这样才能让电气和电子设备可靠的工作。在防雷保护区0A→1的边界处必须使用防雷器,它可以导走大量的分雷电流而不会损坏设备。这种防雷器也称之为雷电流保护器（I级防雷器）,它们可以限制接地的金属设施和电源、信号线路之间由雷电引起的高电位差,将其限制在安全的范围之内。雷电流保护器的最重要的特性是:按照10/350μs脉冲波形测试,可以承受雷击电流。对风电机组来说,电源线路0A→1边界处的防雷保护是在400/690V电源侧完成的。
在防雷保护区以及后续防雷区,仅有能量较小的脉冲电流存在,这类脉冲电流是由外部的感应过电压产生,或者是从系统内部产生的电涌。对于这一类脉冲电流的保护设备叫作电涌保护器（II级防雷器）。用8/20μs脉冲电流波形进行测试。从能量协调的角度来说,电涌保护器需要安装在雷电流保护器的下游。
从通流量上考虑,例如一条电话线,在导线上的分雷电流应按照5%来预估,对于Ⅲ/Ⅳ级防雷保护系统,就是5kA(10/350μs)。
7、结语
雷电能量非常巨大,雷击方式是复杂的,采用合理适当的防雷措施只能减少损失,只有更多新技术的突破和应用才能对雷电进行完全防护并加以利用。风电系统防雷方案分析与探讨,主要应考虑风电的接地系统设计,由于我国风电在各种地质地貌下都有涉及,针对不同地质的风电接地系统可以分类设计,采用不同的方法达到接地电阻要求。
