風(fēng)電機(jī)組的防雷保護(hù)

　　摘 要 ：隨著風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行問(wèn)題日益受到人們的重視。其中，雷擊是影響風(fēng)電機(jī)組乃至整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行的重要因素。本文從雷電的破壞機(jī)理和形式入手，對(duì)雷電的防護(hù)區(qū)域進(jìn)行了劃分，提出了風(fēng)電機(jī)組的防雷保護(hù)原則，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的防雷保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的分析闡述。
　　關(guān)鍵詞： 風(fēng)電機(jī)組；防雷保護(hù)；防雷設(shè)計(jì)

　　1 引言
　　風(fēng)能是當(dāng)前技術(shù)最成熟、最具備規(guī)模開(kāi)發(fā)條件的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電已成為新能源產(chǎn)業(yè)中最重要的組成部分。
近年來(lái)，風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量越來(lái)越大，為了吸收更多能量，輪轂高度和葉輪直徑不斷增加；同時(shí)，高原、沿海、海上等新型風(fēng)電機(jī)組的開(kāi)發(fā)，使風(fēng)電機(jī)組開(kāi)始大量應(yīng)用于高原、沿海、海上等地形更為復(fù)雜、環(huán)境條件更為惡劣的地區(qū)，從而加大了風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)電機(jī)組故障中，由遭遇雷擊導(dǎo)致的故障占4%。雷電釋放的巨大能量會(huì)造成風(fēng)電機(jī)組葉片損壞、發(fā)電機(jī)絕緣擊穿、控制元器件燒毀等。風(fēng)電機(jī)組的防雷是一個(gè)綜合性的防雷工程，防雷設(shè)計(jì)到位與否，直接關(guān)系到機(jī)組在雷雨天氣時(shí)能否正常工作，以及機(jī)組內(nèi)的各種設(shè)備是否受到損壞。
　　2 雷電的破壞機(jī)理與形式
　　雷電現(xiàn)象是帶 異性電荷的雷云間或是帶電荷雷云與大地間的放電現(xiàn)象。風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊的過(guò)程實(shí)際上就是帶電雷云與風(fēng)電機(jī)組間的放電。在所有雷擊放電形式中，云對(duì)大地的正極性放電或大地對(duì)雷云的負(fù)極性放電具有較大的電流和較高的能量。雷擊保護(hù)最關(guān)注的是每一次雷擊放電的電流波形和雷電參數(shù)。雷電參數(shù)包括峰值電流、轉(zhuǎn)移電荷及電流陡度等。風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊損壞的機(jī)理與這些參數(shù)密切相關(guān)。
　　2.1 峰值電流
　　當(dāng)雷電流流過(guò)被擊物時(shí)，會(huì)導(dǎo)致被擊物的溫度升高，風(fēng)電機(jī)組葉片的損壞在很多情況下與此熱效應(yīng)有關(guān)。熱效應(yīng)從根本上來(lái)說(shuō)與雷擊放電所包含的能量有關(guān)，其中峰值電流起到很大的作用。當(dāng)雷電流流過(guò)被擊物時(shí)( 如葉片中的導(dǎo)體) 還可能產(chǎn)生很大的電磁力，電磁力的作用也有可能使其彎曲甚至斷裂。另外，雷電流通道中可能出現(xiàn)電弧。電弧產(chǎn)生的膨脹過(guò)壓與雷電流波形的積分有關(guān)，其燃弧過(guò)程中驟增的高溫會(huì)對(duì)被擊物造成極大的破壞。這也是導(dǎo)致許多風(fēng)電葉片損壞的主要原因。
　　2.2 轉(zhuǎn)移電荷
　　物體遭受雷擊時(shí)，大多數(shù)的電荷轉(zhuǎn)移都發(fā)生在持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)而幅值相對(duì)較低的雷電流過(guò)程中。這些持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的電流將在被擊物表面產(chǎn)生局部金屬熔化和灼蝕斑點(diǎn)。在雷電流路徑上一旦形成電弧就會(huì)在發(fā)生電弧的地方出現(xiàn)灼蝕斑點(diǎn)，如果雷電流足夠大還可能導(dǎo)致金屬熔化。這是威脅風(fēng)電機(jī)組軸承安全的一個(gè)潛在因素，因?yàn)樵谳S承的接觸面上非常容易產(chǎn)生電弧，它有可能將軸承熔焊在一起。即使不出現(xiàn)軸承熔焊現(xiàn)象，軸承中的灼蝕斑點(diǎn)也會(huì)加速其磨損，縮短其使用壽命。
　　2.3 電流陡度
　　風(fēng)電機(jī)組在遭受雷擊的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)造成控制系統(tǒng)或電子器件損壞，其主要原因是存在感應(yīng)過(guò)電壓。感應(yīng)過(guò)電壓與雷電流的陡度密切相關(guān)，雷電流陡度越大，感應(yīng)電壓就越高。
　　2.4 雷電的破壞形式
　　設(shè)備遭雷擊受損通常有4 種情況：1）設(shè)備直接遭受雷擊而損壞2）雷電脈沖沿著與設(shè)備相連的信號(hào)線、電源線或其他金屬管線侵入設(shè)備使其受損3）設(shè)備接地體在雷擊時(shí)產(chǎn)生瞬間高電位形成地電位“反擊”而損壞4）設(shè)備因安裝的方法或安裝位置不當(dāng)，受雷電在空間分布的電場(chǎng)、磁場(chǎng)影響而損壞。
　　3 雷電防護(hù)區(qū)域的劃分
　　雷電防護(hù)區(qū)域的提出是為了更好的保護(hù)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)里的元件。機(jī)組系統(tǒng)利用半徑30m 的滾球法可以分為幾個(gè)不同的區(qū)域。雷電防護(hù)系統(tǒng)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制定劃分區(qū)域，目的是為了減少電磁干擾與可預(yù)見(jiàn)的耦合干擾。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）對(duì)防雷過(guò)電壓保護(hù)的防護(hù)區(qū)域劃分為：LPZ0 區(qū)（LPZ0A、LPZ0B），LPZ1 區(qū)，LPZ2 區(qū)，如圖1 所示。