风力发电系统防雷技术分析与改进

摘要：风电行业是一个正处于高速发展的行业，近年来雷击事件屡有发生，致使风电机组无法使用。本文主要讨论风力发电系统防雷问题，经过对风电机组中的防雷性能以及防雷技术进行分析，相应地提出有针对性的防雷措施，保证风电场的安全性。

关键词：风力发电；防雷技术；改进 引言

关于风力发电系统中的雷击过电压的分析与治理，涉及方面较广泛，问题也较多，概括起来主要由风力发电机组、架空输电线路、风力发电场升压变压站以及风电场接地系统的防雷设计4个方面组成。由于风力发电场所处的地理位置、升压变压站的布置、风机本身结构等具有其特殊性，故风力发电系统防雷接地也具有其自己的特点。

1雷电的来源及雷电对风力发电机的危害

大气中总是含有大量气体正、负离子，使大气具有微弱导电性、产生大气电场、电流、导致大气中雷电的产生。雷电放电现象多出现在较高建筑物和山地，沿海区域也常见。而风力发电机又多分布在山地，海边，因此安置在恶劣环境下及自身高度较高的风力发电系统遭受雷击的可能性大大增加。通过对部分雷击案例例如浙江苍南风电场，本溪某风电场等分析发现雷击造成风机控制系统损坏率最高，其次是电气系统和发电机，而叶片损失造成损失电量最多，修理费用最大。 2风力发电系统的防雷措施 2.1外部系统防雷

2.1.1叶片、机航、塔架防雷

雷电击中叶片时，外部温度会急剧升高，造成湿气体体积瞬间膨胀，压力上升进而引发叶片爆裂，设备烧毁，甚至会借助轮毂的作用影响其他叶片。因此可在叶尖处布置排水孔。另外并不是叶片导电性越小被雷击的概率就越小，雷电导致损害的范围取决于叶片的形式。在叶尖装设接闪器用来捕捉雷电，再通过叶片腔导引线使雷电引入大地，约束雷电，以避免雷电直击叶片本体而致使叶片损害。在机舱顶端加装避雷针保护风速计和风标免受雷击。专设的引下线连接机舱和塔架，雷击发生时不会被电流损坏，进而将雷电中的电流经过所用引下线顺利引入大地。

2.1.2接地网

接地系统的好坏直接关系到雷电泄放的效率。风力发电系统所处区域土壤电阻率高、分散性大，采用降阻剂，换土等方式效果并不好，所以应从经济、有效考虑。在塔架周围0．5m处设置一个跟塔架相连的环形铜环导体，环形铜环导体半径由土壤电阻率等参数确定。同时将选材为铜包钢的垂直接地极8－16根均匀的焊接在水平接地极上。 2.2内部系统防雷 2.2.1等电位连接

风速计、风标等易遭受直击雷区域部位与避雷针连接一起等电位接地;机舱内所有组件金属设备和外部导体，连接到机舱主框作为等电位，与接地装置相连。基础接地体和环形接地体的顶端接线夹应进入塔架内部，并连接到标记好的等电位连接带。

2.2.2屏蔽隔离

屏蔽隔离可以减少元件之间电磁耦合的影响。机舱上处理器和地面控制器通信，采用光钎电缆连接;对处理器和传感器，采用分开供电的直流电源。实现光电隔离，保障信号的传输质量。 2.2.3过电压保护

根据应用SPD的原理和不同电磁兼容性保护区的划分。应在塔底的控制柜内安装B－C级电源系统SPD。通信信号线路塔筒到机舱控制柜两端若用金属导线传输加装信号系统保护器，若用光钎传输需对光钎铠装金属层进行接地处理。对于风向标、风速仪和环境温度传感器等测控信号新路，可在控制柜内加装保护器。 3国内对风力发电系统雷击过电压技术的研究

国内对风力发电系统的雷击研究目前集中于风电机组的防雷与接地。广东省汕头市电力公司对南澳风电场132台风机的雷害问题，调查了近15年发生的53起雷击事故的调查。在1999年-2004年期间，地闪强度大于50ｋＡ的雷电共有163次，超过100ｋＡ的雷电闪击共有31次，其中最强烈的一次闪击发生在2002年8月20日14时22分，在东经116．42°，北纬23．53°处，雷电强度高达275．4ｋＡ，共有4次回击，陡值为7．2ｋＡ／μｓ，闪电能量为384．3ＭＪ，此次雷击共击坏4台风机风叶、35Ａ保险器12个、ＭＴＡ—2过电压保护器3个、补偿电容器、接触器2个、双向可控硅3个、触发板1块和ＴＡＣ计算机2台，经济损失惨重。1995年8月。浙江苍南风电场ｌ台ＦＤｌ6型55ｋＷ风机遭受雷击，从叶尖到叶根开裂损坏报废。2008年5月，沈阳康平富饶山风电场11号风机遭雷击，造成1片风叶完全损坏，另外2片也出现断裂国内专家近几年对风力发电系统雷击过电压分析及治理方面也做出了一些研究成果。对风力发电系统的雷电防护及电磁兼容进行了分析，结合ＩＥＣ的技术标准，提出了风力发电系统各部分的防雷技术要素。系统地讨论了风电机组的桨叶、传动装置、发变电设备和控制系统在直接雷、雷电侵入波、雷电电磁脉冲的作用下的防雷与接地问题，对我国风力发电机组防雷保护及本课题具有一定的借鉴意义。讨论了雷击引起风电场的地电位升高问题，认为风电机组任何一台遭受雷击时，所有风机的地电位都将升高，其升高程度与机组接地电阻以及电缆屏蔽层参数有关。

讨论了风电机组的雷击损害机理，风电机组的雷击频率和雷击位置以及风电机组的叶片、轴承、机舱和电气部件的防雷与接地。建立了风电机组的“塔体———传输线”ＡＴＰ－ＥＭＴＰ模型，结合具体实例对风电机组的雷击过电压进行了仿真分析。建立了考虑参数变频特性的风机塔体电路雷电暂态模型，利用频域和傅里叶反变换的计算方法分析了不同条件下风力发电机组的塔体雷电暂态响应的影响，为风机的防雷设计提供了依据。 4风力发电技术的发展趋势

4.1对于巨型机而言，采用延长叶片会使运输和安装成本增加，因此分段式叶片技术应运而生，很好的解决了运输和安装问题，同时采用强化碳纤维增强叶片刚度，玻璃钢和热塑等混合纱丝制造叶片，缩短了叶片的生产时间。

4.2采用无刷交流双馈异步电机、开关磁阻发电机和高压发电机也降低了成本，提高了可靠性，便于设备维修及养护，新型风力发电机的研制仍然是当前的重要任务。

4.3新型大功率变化器的研究和应用势在必行，多电平变化器相对两电平变换器显著的降低了功率器件的开关损耗，大幅度的提高了转换效率，同时，新型储能技术也日益受到了人们的关注，起到了维持电网频率稳定的作用。

4.4随着风电规模的扩大，对电网的影响逐渐加深，为了不影响电力系统的稳

定性，就要求风电发电机组不脱网运行，在故障切除后尽快帮助电力系统恢复运行，即低压穿越，很多国家都在致力于研究此项，我国在2011年已自主研制出直驱永磁机组成功通过了低压穿越测试，后续还需继续完善。

4.5国外对风电机组和风电场的短期及长期发电预测做了很多研究，取得了重大进步，我国应借鉴欧洲国家风能功率预测在推动风电大规模利用方面的成功经验，大力开展有关研究，提高预测技术水平。 结语

在风电场发电过程中，雷击是影响风电场发电设备甚至是风电场安全运行的重要因素。因此，必须提高风电场防雷技术的研究。本文结合实际案例，多年对风力风电系统技术审核和检测结论从外、内部系统对风力发电系统做了防雷技术分析。对于正处于高速发展的风电行业，不能没有相应的行业和国家标准，因此尽快建立我国风电行业技术规范，是非常必要的。 参考文献：

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[2]邢作霞．大型并网风力发电机的防雷保护［J］．可再生能源，2014(4)． [3]杨宇，徐林．分析风电机组的防雷技术［J］．大科技，2013(16)．