风力发电机组防雷措施

风力发电机组的气象防雷保护

：随着风力发电机组单机容量的不断増大，风机轮毂高度和叶片高点也在不断増高，在旷野、山顶和沿海地区，风机遭受雷击的概率非常大。从各风场反馈的情况来看，雷击不但是造成风机故障停机的重要因素，甚至直接影响风电场的安全运行。本文首先从雷电的破坏机理和形式入手，对雷电的防护区域进行了划分，并提出了风力发电机组的防雷保护设计原则和防雷系统工程方案;而后对风机整机系统的防雷保护进行了系统的分析，并提出了具体的防雷保护方法。

标签：风力发电防雷雷电

1引言

风能是一种绿色、安全的清洁能源，也是当前技术最成熟、最具备规模开发条件的可再生能源。近年来，风力发电机组的单机容量越来越大，为了吸收更多能量，轮毅高度和叶轮直径不断增高;同时，高原、沿海、海上等新型风力发电机组的开发，使风力发电机组开始大量应用于高原、沿海、海上等地形更为复杂，环境更为恶劣的地区，更加加大了风力发电机组被雷击的风险。据统计， 风电机组故障中，由遭遇雷击导致的故障占到4%。电具有极大的破坏力，雷击释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等故障，给风电场带来直接和间接的巨大经济损失， 此风力发电机组的防雷保护已日益引起各个风电机组制造厂家和风电机组研发设计人员的重视。风电机组的防雷是一个综合性的工程，防雷设计的到位与否，直接关系到风电机组在雷雨天气时能否正常工作，并且确保风电机组内的各种设备不受损害。

2雷电的产生及危害

雷电是雷云间或雷云与地面物体间的放电现象，电位差可达数兆瓦甚至十兆瓦，放电电流几十千安甚至几百千安。经验表明，对地放电的雷云绝大部分带负电荷，当雷暴经过大地时，云块下方原本负电荷充电的几公里的雷暴范围内的大地可以变为正极充电。这些正电荷会集中在垂的物体上，比如树木和高耸的建筑物。这些物体向上释放出正极的放电，并试图与从云块发出的向下的负极放电相结合，当正负电荷相结合时，闪电就发生了。

风力发电机的防雷解决方案(2009-03-02 00:00:54)

标签：风机 防雷 教育 分类：行业相关

风能是当前技术最成熟、最具备规模开发条件的可再生洁净能源。风能发电为人与自然和谐发展提供了基础。由于风力发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。

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，相对的也增加了被雷击的风险，雷击成了自然界中对风力发电机组安全运行危害最大的一种灾害。雷电释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等。我国沿海地区地形复杂，雷暴日较多，应充分重视雷击给风力风电机组和运行人员带来的巨大威胁。例如，红海湾风电场建成投产至今发生了多次雷击事件，据统计，叶片被击中率达4%，其他通讯电器元件被击中率更高达20%。为了降低自然灾害带来的损失，必须充分了解它，并做出有针对性的防范措施。

风机的防雷是一个综合性的防雷工程，防雷设计的到位与否，直接关系到风机在雷雨天气时能否正常工作，并且确保风机内的各种设备不受损害等。

一、 直击雷防护

该风机主体高度约80米，叶片长度约40米，即风机最高点高度约为120米，且大多数风力发电机位于空旷地带，较孤立。风机的高度加上所处特殊的环境，造成风力发电机在雷雨天气时极易遭受直击雷。

国际电工委员会对防雷过电压保护的防护区域划分为：LPZ0 区（LPZ0A、LPZ0B），LPZ1 区，LPZ2 区。

在金属塔架接地良好的情况下，叶片、机舱的外部（包括机舱）、塔架外部（包括塔架）、箱式变压器应属于LPZ0 区，这些部位是遭受直击雷（绕雷）或不遭受直击雷但电磁场没有衰减的部位。机舱内、塔架内的设备应属于 LPZ1

区，这其中包括电缆、发电机、齿轮箱等。塔架内电气柜中的设备，特别是屏蔽较好的弱电部分应属于 LPZ2。

风电防雷接地设计方案

1 风机的防雷特点

电闪雷鸣释放的巨大能量，会造成风机叶片爆裂、电气绝缘击穿、自动化控制和通信元件烧毁„„ 1.1 一般雷击率

在年均10雷电日地区，建筑物高度h与一般雷击率n的关系见表1。

1.2 环境

风力发电特点是:风机分散安置在旷野，大型风机叶片高点(轮毂高度加风轮半径)达60,70 m，易受雷击;风力发电机组的电气绝缘低(发电机电压690 V、大量使用自动化控制和通信元件)。因此，就防雷来说，其环境远比常规发电机组的环境恶劣。

1.3 严重性

风力发电机组是风电场的贵重设备，价格占风电工程投资60%以上。若其遭受雷击(特别是叶片

和发电机贵重部件遭受雷击)，除了损失修复期间应该发电所得之外，还要负担受损部件的拆装和更新的巨大费用。丹麦LM公司资料介绍:1994年，害损坏超过6%，修理费用估计至少1 500万克朗(当年丹麦装机540 MW，平均2.8万克朗/MW) 。按LM公司估计，世界每年有1%,2%的转轮叶片受到雷电袭击。叶片受雷击的损坏中，多数在叶尖是容易被修补的，但少数情况则要更换整个叶片。雷击风机常常引起机电系统的过电压，造成风机自动化控制和通信元件的烧毁、发电机击穿、电气设备损坏等事故。所以，雷害是威胁风机安全经济运行的严重问题。 2 叶片防雷研究

雷击造成叶片损坏的机理是:雷电释放巨大能量，使叶片结构温度急剧升高，分解气体高温膨胀，压力上升造成爆裂破坏。

美国瞬变特性研究院用人工电晕发生器，在全复合材料的叶片做雷击试验，高电压、长电弧冲击(3(5 MV，20 kA)加在无防雷设置的叶片上，结论是叶片必须加装防雷装置。

TACKE公司设计了玻璃钢防雷叶片(图1)，叶片顶端铆装一个不锈钢叶尖，用铜丝网贴在叶片两面，将叶尖与叶根连为一导电体。铜丝网一方面可将叶尖的雷电引导至大地，也防止雷击叶片主体。

丹麦LM公司于1994年获得叶片防雷的科研项目，由丹麦能源部资助，包括丹麦研究院雷电专家、风机生产厂、工业保险业、风电场和商业组织在内，目的在于调查研究雷电导致叶片损害，开发安全耐用的防雷叶片。研究人员在实验室进行一系列的仿真测试，电压达1(6 MV，电流到200 kA，进行雷电冲击，验证叶片结构能力和雷电安全性。研究表明:不管叶片是用木头或玻璃纤维制成，或是叶片包导电体，雷电导致损害的范围取决于叶片的形式。叶片全绝缘并不减少被雷击的危险，而且会增加损害的次数。研究还表明:多数情况下被雷击的区域在叶尖背面(或称吸力面)。在研究的基础上，LM叶片防雷性能得到了发展，在叶尖装有接闪器(图2)捕捉雷电，再通过叶片内腔导引线使雷电导入大地，约束雷电，保护叶片，设计简单和耐用。如果接闪器或传导系统附件需要更换，只是机械性的改换。

第３４卷第３期　２０１３年９月　气象研究与应用　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＭＥＴＥ０Ｒ０ＬＯＧＩＣＡＬ　ＲＥＳＥＡＲＣＨ　ＡＮＤ　ＡＰＰＵＣＡＴＩＯＮ　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．３　Ｓｅｏ．２０１３　

文章编号：１６７３—８４１１（２０１３）０３—００８６—０２　

山区风力发电机组防雷技术探讨　

韩建海，常晓丽　

（桂林市气象局，广西桂林５４１００１）　

摘要：针对广西山区地质特点，对风力发电站重点部位的防雷技术进行分析，目的是减少自然灾害和损失．保证安全生产。　关键词：风力发电；机组；防雷设计；雷电灾害；山区　中图分类号：Ｐ４２７．３２　文献标识码：Ａ　

ｓｌ　ｏｎ　Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　Ｌｉｇｈｔｎｉｎｔ￣Ｆｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　１　ｅｃｈｎｏｌｏ￣，ｙ　

ｏｆ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　ｉｎ　Ｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓ　Ａｒｅａ　

ＨＡＮ　Ｊｉａｎ—ｈａｉ，ＣＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｌｉ　

（Ｇｕｉｌｉｎ　Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｓｅｒｖｉｃｅ，Ｇｕｉｌｉｎ　Ｇｕａｎｇｘｉ，５４１００１）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｇｅｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｇｕａｎｇｘｉ　ｍｏｕｎｔａｉｎ　ａｒｅａ，ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｐａｒｔｓ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｎａｔｕｒａｌ　ｄｉｓａｓｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｌｏｓｓｅｓ　ａｎｄ　

ｅｎｓｕｒｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｉｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｔａｋｅｎ　

ａｇａｉｎｓｔ　ｔｈｅ　ｍｏｕｎｔａｉｎｓ　ｏｆ　Ｇｕａｎｇｘｉ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｅｘｐｌｏｒｅ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｐａｒｔｓ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ