浅析风力发电机组雷电防护技术 |
| 2012-08-05 14:48 作者：武宁 马贵东 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网8月5日消息 《硅谷》杂志2012年第12期刊文称,通过详细分析风电机组雷击概率和易损性，说明风电机组存在较高的雷击损害风险。并根据实际情况提出风电机组防雷设计的一些思路。
当前，全世界已经刮起了一股追求清洁、安全、可再生的能源生产方式的潮流，这些能源来自太阳、土地、大海和风。风能已经成为当前技术最成熟、最具备规模开发条件的可再生洁净能源。我国风能资源丰富，总量大约25亿千瓦。到2010年底，中国累计安装机组34485台，容量44739.29兆瓦。累计装机容量到2010年底已超过美国，跃居世界第一。
风电机组是在自然环境下工作，不可避免的会受到自然灾害的影响。随着现代科学技术的迅猛发展，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风电机组的雷击风险
1.1单台风电机组的年预计雷击概率
风力发电场一般都布置在空旷原野、山麓山脊或者海上，加上现代大功率风电机组普遍机舱高度超过30米，在雷雨天气中，很容易激发向上先导，造成雷雨云对其放电，遭受雷击。
根据IEC61400.24-2002《风电机组第24部分雷电防护》给出的年预计雷击概率次数计算公式：
Ng-年平均地闪密度，次/km¬2；
h-风机有效高度，m；
Cd-位置因子，突出周围建筑选值为2。
以广东省国电阳江（海陵岛）风力发电场为例，根据观测资料当地雷击大地密度为9.6次/km¬2，750kw风机机舱高度50m，叶尖最高高度75m.则单台风机年预计雷击次数为：N=9.6×9×3.14×（75）2×10-6=3.052次/年。可见，因地处空旷，高度较高风电机组的雷击概率相当大。
1.2风电机组易遭雷击的部位
根据滚球法分析（如图1）可知，风桨叶片，塔筒（高于60米），机舱尾部都容易遭受直击雷的袭击。通常塔筒为金属钢桶，可以直接接闪，而风桨叶片和机舱由非金属轻质材料制成，需加装接闪设施。
图1风电机组滚球法分析图2遭受雷击损坏的叶片
1.3风电机组的雷击易损性分析
根据观测统计数据，风电机组遭受雷击损坏比率（如图3），风机雷击事故中，桨叶的损坏事故占总数的20%，控制系统、电子系统和传感器各占36%、26%和12%。而其他部位雷击损坏只占总数的6%。可见桨叶，控制系统，电子系统，传感器是遭受雷击最易损坏的设备。
图3风机各部分雷击事故比例
1.3.1桨叶的易损性分析
桨叶处于风电机组的高度最高的位置，形状细长，极易在顶端形成尖端放电现象，触发上行先导，而引发雷击。因此雷电击中桨叶是风电机组遭受直接雷击的主要形式。现代风电机组桨叶的主要材料是木材，玻璃纤维等复合材料。对于定浆桨叶一般翼尖安装叶尖气动刹车装置，内有液压驱动系统以及其控制线路，对于变浆系统则在轮毂内安装有变浆轴承以及驱动电机及其控制系统。
当雷电击中桨叶，雷电释放的巨大能量，使桨叶结构温度急剧升高，分解桨叶内部气体高温膨胀，压力上升造成爆裂破坏（更有桨叶内存在水分而产生高温气体，爆裂）。因此桨叶防雷系统的主要目标是避免雷电直击桨叶本体而导致桨叶损害。经过统计：不管桨叶是用木头或玻璃纤维制成，或是桨叶包导电体，雷电导致损害的范围取决于桨叶的形式。桨叶全绝缘并不减少被雷击的危险，而且会增加损害的次数。多数情况下被雷击的区域在叶尖背面（或称吸力面）。
1.3.2机舱内设备的易损性分析
风电机组的机舱内设备包括：发电机、冷却器、制动器、机舱本机控制系统、通信组块、风速风向采集模块、偏航控制系统和变桨控制系统。易遭受雷击的设备主要为控制电路，传感器，变频器、电机等设备。雷电击中桨叶或者击中风电机组附近时，雷电流会感应出强烈的静电场，并辐射出高强度的电磁波。电子控制系统的各种线路就会感应出过电压，由于控制电路包含大量集成电路，耐受电压非常低极易被雷击损坏。
2风电机组的雷电防护
2.1风电机组桨叶的防雷
目前，风电机组的叶片都是由复合材料制成的大型中空结构，如玻璃纤维增强的复合材料GRP（玻璃钢材料），木材、复合板材和碳纤维增强塑料（CRP）。碳纤维增强塑料（CRP）一般用于加强叶片的结构或特殊元件（如：带翼尖失速制动装置）的叶片变浆轴。这些材料都非导电材料，不能用作接闪，且遭受雷击容易损坏甚至起火。因此需要设置专门的接闪装置。
通常采用内附金属线，在表面安装接闪点或者在桨叶外粘贴金属箔片等方式来拦截闪击。然而从保护范围来考虑，这些装置并不能很好的保护桨叶不受雷击损坏。事实上闪电击坏桨叶的事件经常发生。然而考虑风阻和重量问题，在桨叶外加装接闪装置是不可能的。从现场观测来看，桨叶遭受雷击的部位主要在桨叶尖端和边缘，因此可在这些部位采用外嵌的不锈钢条做接闪装置。
2.2风电机组内部防雷
风电机组内有大量的电子设备，准确的选取内部防雷参数非常重要，但是目前很多风电机组的方案仅仅简单安装浪涌保护器。从目前的雷击事故来看，雷击产生过电压浪涌对风机内部设备造成的损坏所占比例最大。（原文载于《硅谷》杂志2012年第12期，硅谷网及《硅谷》杂志版权所有，未经允许禁止转载）
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