風(fēng)力發(fā)電機(jī)直擊雷防護(hù)特點(diǎn)

前言：風(fēng)力發(fā)電是新能源產(chǎn)業(yè)中的重要組成部分，截至2007年的時(shí)候全球風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)突破9萬(wàn)MW，我國(guó)預(yù)計(jì)到2010年風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到2000萬(wàn)KW，年發(fā)電量為400億KW〃h。可見(jiàn)，未來(lái)幾年風(fēng)電產(chǎn)業(yè)將成為國(guó)內(nèi)的支柱產(chǎn)業(yè)，也將帶動(dòng)一批相關(guān)的上下游產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，防雷也將成為重要的組成部分。 　　1.風(fēng)電防雷系統(tǒng)的組成           　　針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷，按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為直擊雷防護(hù)和雷電電磁脈沖防護(hù)兩部分， 　　1.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直擊雷防護(hù) 　　1）葉片的直擊雷防護(hù) 　　2）機(jī)艙及塔桶的等電位鏈接 　　3）風(fēng)機(jī)的接地設(shè)計(jì) 　　1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷電電磁脈沖防護(hù)系統(tǒng)的組成 　　1）電控系統(tǒng)的雷電電荷防護(hù) 　　2）信號(hào)控制系統(tǒng)的雷電電磁脈沖防護(hù) 　　3）等電位及屏蔽防護(hù) 　　根據(jù)以上的分類，本文重點(diǎn)介紹其直擊雷系統(tǒng)的防護(hù)。 　　2.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的防雷 　　從圖1可見(jiàn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最高部分就是葉片的最高高度，當(dāng)葉片運(yùn)行到最高高度時(shí)，即可視為避雷針形成引雷通道，是目前全球范圍風(fēng)力發(fā)電機(jī)遭雷擊破壞影響最大的一種情況。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片防雷，全球各風(fēng)電設(shè)備制造廠商都采取了不同的防護(hù)措施，也都取得了一定的效果，對(duì)于目前行業(yè)中風(fēng)電葉片的防雷措施本文也會(huì)做一下簡(jiǎn)單的比較。          　　圖2葉片的雷電放電測(cè)試 　　2.1葉片的結(jié)構(gòu) 　　目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片都是有符合材料制成的大型中空結(jié)構(gòu)，如比例纖維曾倩的復(fù)合材料GRP(玻璃鋼材料)，木材、復(fù)合板材和碳纖維增強(qiáng)塑料（CRP）、碳纖維增強(qiáng)塑料（CRP）一般用于加強(qiáng)葉片的結(jié)構(gòu)或特殊元件（如：帶翼尖失速制動(dòng)裝臵）的葉片變漿軸。早些時(shí)間，有些觀點(diǎn)認(rèn)為雷電不會(huì)擊中絕緣材料制成的葉片上，可是，實(shí)際的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)徹底的打破了這種觀點(diǎn)，事實(shí)上，雷電會(huì)擊中沒(méi)有任何金屬材料的葉片上，而導(dǎo)致整機(jī)的火災(zāi)。 　　圖3葉片遭雷擊后形成的火災(zāi)          　　2.2不同葉片的特點(diǎn) 　　根據(jù)葉片的控制和制動(dòng)方式不同，風(fēng)機(jī)的葉片可分為以A、B、C、D四種類型。 　　2.2.1A型葉片的特點(diǎn) 　　A型葉片漿前緣外部的一個(gè)副翼作為制動(dòng)翼,對(duì)于這種葉片雷電雷擊點(diǎn)較多的出現(xiàn)在鋼折板的鉸接處,由于控制折板的鋼絲沒(méi)有足夠的同流能力,造成控制折板的鋼絲熔斷; 　　圖4.不同系統(tǒng)中的葉片          　　2.2.2B型葉片的特點(diǎn) 　　相對(duì)于A型葉片,B型葉片在制動(dòng)上采取了葉尖制動(dòng)的方式,而這種制動(dòng)方式同時(shí)把葉尖作為雷擊的接閃點(diǎn),當(dāng)雷電通過(guò)葉尖接閃后雷電電弧從葉尖點(diǎn)開(kāi)始到主軸與葉片的鏈接法蘭之間形成電弧,這種電弧將造成葉片的整體爆裂,目前這兩種葉片基本上已經(jīng)淘汰.目前仍在使用的基本是老式的100KW以下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 　　2.2.3C型葉片的特點(diǎn) 　　這種葉片是目前行業(yè)中常用的一種新型葉片,它與B型葉片相似,與B型葉片相比,這種葉片造成的電弧張力相對(duì)損失會(huì)更嚴(yán)重,為了避免這種情況,17米的葉片內(nèi)部使用的鋼絲直徑都大于10mm，由于加強(qiáng)了鋼絲的通流能力,所以這種葉片在遭雷擊后較少出現(xiàn)整個(gè)葉片爆裂的情況。 　　2.2.4D型葉片的特點(diǎn) 　　D型葉片是完全的非金屬材料制成的,有試驗(yàn)表明,這種非金屬材質(zhì)的葉片在運(yùn)行一段時(shí)間后,由于表面的污濁和鹽霧侵蝕葉片的表面等效于導(dǎo)體材料,這種葉片也會(huì)經(jīng)常遭到雷擊。 　　2.3葉片遭雷擊后的損壞機(jī)制 　　葉片遭雷擊的典型后果是葉片的開(kāi)裂,復(fù)合材料表面的燒灼損壞,或者有金屬部件的燒毀及融化,而對(duì)于雷電在葉片內(nèi)部形成電弧時(shí),對(duì)葉片的損壞最為嚴(yán)重,當(dāng)雷電擊中葉片后葉片內(nèi)部中空的空氣會(huì)迅速膨脹,這種膨脹可能是由于葉片內(nèi)部的殘留潮濕空氣或者瞬間高溫產(chǎn)生的空氣膨脹,瞬間的壓力沖擊會(huì)是整個(gè)葉片爆裂,嚴(yán)重時(shí)壓力波會(huì)通過(guò)輪轂傳導(dǎo)到?jīng)]有遭雷擊的葉片上,而引起連鎖的損壞。避免雷電擊中葉片后形成的內(nèi)部壓力的最好辦法是將雷電通道屏蔽在葉片的外部,或者減小雷電對(duì)葉片的沖擊壓力,當(dāng)葉片外部的雷電散流面積足夠大時(shí),對(duì)葉片的損壞相對(duì)會(huì)減小很多。 　　2.4各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片防雷措施 　　目前,葉片的防雷主要的做法是將葉片上的雷電流引至輪轂長(zhǎng),通過(guò)輪轂與塔桶的等電位聯(lián)接系統(tǒng)將雷電流瀉放,避免葉片的損壞。主流的方法有兩種,一種是在葉片的表面或內(nèi)部安裝金屬材料將電流從葉尖引至葉根通葉片輪轂的聯(lián)接瀉流;另一種是在葉片表面添加到點(diǎn)材料,使雷電流在葉片表面?zhèn)鲗?dǎo),避免葉片的損壞。 　　2.4.1葉片表面或者嵌入葉片表面的接閃器 　　在葉片表面安裝屆疝氣或者引下線的金屬避雷線必須有足夠的截面積能夠承受雷擊電流,并且能夠安全傳導(dǎo),一般使用的鋁質(zhì)避雷線的截面積為50mm2，但是如何將避雷線牢固的固定在葉片上也存在一定問(wèn)題,安裝在葉片表面的避雷線很可能因?yàn)槿~片在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中影響葉片的空氣動(dòng)力學(xué)特性脫落或者產(chǎn)生噪音.用銅或鋁的避雷線或者網(wǎng)制作成的嵌入葉片的避雷帶,嚴(yán)格的將是避雷線從葉根到葉尖的表面的聯(lián)接,或者是包裹這個(gè)葉片的前緣和后緣。 　　圖5.不同葉片的防雷措施          　　2.4.2粘貼金屬箔和分段式避雷帶 　　在國(guó)外有些風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片防雷處理中使用了一種在葉片表面粘貼鋁箔的方式,這種方式唯一的問(wèn)題就是無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間可靠固定,在粘貼幾個(gè)月后就會(huì)脫落,如果能夠解決固定的方式,達(dá)到使其長(zhǎng)期可靠的固定,這種方式將成為以后總有效且成本低廉的有效措施,并且可以解決現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片沒(méi)有防雷措施的問(wèn)題.分段式避雷帶的提出是基于飛機(jī)用雷達(dá)天線罩的試驗(yàn),試驗(yàn)表明安裝在機(jī)翼上的分段式避雷帶不會(huì)對(duì)雷達(dá)天線造成干擾,但是成用的應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的試驗(yàn)報(bào)告目前行業(yè)中尚沒(méi)有可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù),目前僅在丹麥的一些風(fēng)力發(fā)電機(jī)上進(jìn)行可行性測(cè)試。 　　2.4.3內(nèi)部引下線(內(nèi)嵌式避雷線) 　　這是一種傳統(tǒng)的葉片防雷措施,主要是就愛(ài)那個(gè)足夠面積的金屬線預(yù)制在葉片中,在葉片的尖端流出特制的金屬接閃器,但唯一的問(wèn)題是當(dāng)葉片的長(zhǎng)度超過(guò)20m時(shí)這種方式就會(huì)引葉片內(nèi)部的金屬線發(fā)上電磁張力而造成葉片的損壞。 　　2.4.4葉片接閃器的攔截效率對(duì)風(fēng)機(jī)雷電電磁脈沖防護(hù)的影響 　　對(duì)于采用固定在葉片表面的不連續(xù)的接閃器,要考慮其攔截效率。(防雷裝臵攔截效率E=1-Nc/N)通過(guò)對(duì)直接雷的攔截效率計(jì)算,推導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)電控系統(tǒng)可能產(chǎn)生的雷電電磁脈沖的預(yù)期沖擊后果,在進(jìn)行電控系統(tǒng)的雷電電磁脈沖系統(tǒng)防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)具有針對(duì)性的進(jìn)行電涌保護(hù)器的適型選擇。 　　3.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的接地設(shè)計(jì) 　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷接地目前是由各風(fēng)電設(shè)備廠家自主提出的一個(gè)參數(shù)要求.目前,國(guó)內(nèi)的金風(fēng)、東汽、華瑞和海裝等風(fēng)機(jī)制造企業(yè)提出的風(fēng)力發(fā)電機(jī)接地電阻一般在2Ω和4Ω,國(guó)外品牌中維斯塔斯、Gamesa公司一般推薦2Ω的接地電阻要求.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)不是孤立的,談到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷就需要結(jié)合風(fēng)場(chǎng)的規(guī)模,地質(zhì)條件和氣象條件進(jìn)行整體考慮.此外,風(fēng)場(chǎng)的接地需要結(jié)合風(fēng)機(jī)的布點(diǎn)適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行聯(lián)合接地,而不是一味的要求全部風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)大聯(lián)合地網(wǎng)的設(shè)計(jì),往往設(shè)計(jì)院對(duì)風(fēng)機(jī)的接地設(shè)計(jì)局限于單機(jī)的設(shè)計(jì),而單機(jī)的接地電阻有由于高土壤電阻率和惡劣的地質(zhì)條件而無(wú)法實(shí)現(xiàn)。所以,結(jié)合風(fēng)機(jī)的布臵適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行小范圍的地網(wǎng)聯(lián)合是有必要的.此外,對(duì)于風(fēng)電升壓站的防雷接地需要按照電力相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)升壓站的防雷規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文不再贅述。 　　結(jié)束語(yǔ): 　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷是近兩年被風(fēng)電行業(yè)提到議事日程上的,目前對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的防雷國(guó)內(nèi),從雷電電磁脈沖上的防護(hù)產(chǎn)品基本上都是進(jìn)口產(chǎn)品為主,直擊雷系統(tǒng)也僅僅是風(fēng)電場(chǎng)的接地,較早期間,風(fēng)電場(chǎng)的接地一般都是電力產(chǎn)測(cè)設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì),但是今年風(fēng)電公司發(fā)現(xiàn)按照電力設(shè)計(jì)院的一般性設(shè)計(jì)往往無(wú)法滿足風(fēng)機(jī)設(shè)備廠商的要求,所以對(duì)于國(guó)內(nèi)的防雷企業(yè)而言,風(fēng)電的接地是風(fēng)電行業(yè)帶動(dòng)防雷產(chǎn)業(yè)的一個(gè)切入點(diǎn)。