风电机组的雷击机理与防雷技术(doc 7页).doc

风电机组的雷击机理与防雷技术赵海翔,王晓蓉(中国电力科学研究院,北京 100085 ) 摘要:随着风电机组单机容量和风电场规模的增大,风电场的安全运行问题日益受到重视。在影响风电场安全运行的诸多因素中,遭受雷击是一个重要方面。本文结合风电机组防雷的研究成果,对风电机组的雷击过程、雷击损坏机理以及防雷措施进行了较全面的阐述。关键词:风电机组;雷击;保护 1 引言随着人们对可再生能源利用价值认识的提高,以及风电机组制造、控制和其它相关技术的不断进步,风力发电在近十几年来的发展非常迅速,到 2001 年底全世界的风电总装机容量已超过 24GW [1]。与此同时,风电机组的单机容量和风电场的总装机容量也不断增长,因此风电场的安全运行问题也越来越受到人们的关注。影响风电场安全运行的因素很多,其中遭受雷击是一个非常重要的方面。随着单机容量的增大,风电机组的塔筒越来越高,再加上大型风电机组一般安装于开阔地带或山地,因此风电机组遭受雷击的概率也较大。以德国风电场遭受雷击的情况为例。德国风电部门对近年来该国风电机组的故障情况进行了统计,其中 1992~1999 年间风电机组雷击事故情况如表 1所示[2]。由表可见,多年以来德国风电场每 100 风机年的雷击数基本维持在 10%左右。另外,调查结果还表明,在所有引发风电机组故障的因素中,外部因素(如风暴、结冰、雷击以及电网故障等)占 16%以上,其中雷击事故约占 4% 。由于雷电现象具有非常大的随机性,因此不可能完全避免风电机组遭受雷击, 只能在风电机组的设计、制造和安装过程中,采取防雷措施,使雷击造成的损失减到最小。本文从雷电发生的机理和雷击过程入手,对风电机组的防雷技术进行了阐述分析。 2 雷击损坏机理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,雷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[3,4] 。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。(1)峰值电流当雷电流流过被击物时,会导致被击物温度的升高,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,其燃弧过程中的强烈高温将对被击物产生极大的破坏。这也是导致许多风电机叶片损坏的主要原因。(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[5] 。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, 它就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, 降低其使用寿命。(3)电流陡度风电机组遭受雷击的过程中经常发生控制系统或电子器件的损坏,