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1、風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計淺析 風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計淺析 摘要：本文作者介紹了雷擊造成的電力危害，從雷電發(fā)生的機理和雷擊過程入手，對風(fēng)電機組的防雷技術(shù)進(jìn)行闡述分析。 關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機組；設(shè)計；淺析 中圖分類號：TM315文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： 風(fēng)力發(fā)電機組是整個風(fēng)力發(fā)電廠的核心裝置，對我國電力系統(tǒng)的正常運行有著重要的影響。發(fā)電廠在制定生產(chǎn)方案時要注重發(fā)電機組控制器的防雷設(shè)計，從內(nèi)部、外部等角度去綜合考慮防雷結(jié)構(gòu)安排，為發(fā)電機組創(chuàng)造良好的運行環(huán)境。雷電事故的處理效率對發(fā)電廠的經(jīng)濟效益、生產(chǎn)秩序、設(shè)備運行都有著很大的影響。近年來，由于沒有對

2、風(fēng)力發(fā)電機組防雷設(shè)計引起足夠重視，因雷擊導(dǎo)致的葉片損壞、機組燃燒、電控器件損壞頻繁出現(xiàn)，據(jù)不完全統(tǒng)計，世界每年有1%～2%風(fēng)力發(fā)電機組遭受到雷擊損壞，風(fēng)機內(nèi)部集中了大量敏感的電氣、電子設(shè)備，一次雷擊帶來的損壞將是非常大的，除損壞期間的發(fā)電所得外，還要負(fù)擔(dān)更換損壞部件拆裝費用。因此，必須為風(fēng)機內(nèi)的電氣、電子設(shè)備安裝完整的防雷保護系統(tǒng)。通過安裝防雷保護裝置，設(shè)備得到了保護，維護和維修費用降低，并且可以提高設(shè)備正常工作的時間。 1 雷擊造成的電力危害 風(fēng)力發(fā)電廠是我國發(fā)電廠的主要形式，其主要是利用自然界的風(fēng)力來實現(xiàn)電能生產(chǎn)。由于風(fēng)力發(fā)電廠運行暴露在自然界中，其正常運行時會受到自然界雷

3、擊的影響。不同程度的雷擊給設(shè)備造成的損壞程度是不一樣的，雷擊造成的電力危害主要表達(dá)在： 1.1 降低效益。從當(dāng)前電力行業(yè)的開展?fàn)顩r看，自然界雷擊問題給風(fēng)力發(fā)電機組帶來的危害表現(xiàn)在平安生產(chǎn)上，如：設(shè)備平安、人員平安等，這些都給電力企業(yè)造成了較大的經(jīng)濟損失。此外，在設(shè)備維修上也會增加風(fēng)力發(fā)電的本錢，不利于電力企業(yè)長期的電能生產(chǎn)運行。 1.2 損壞設(shè)備。風(fēng)力發(fā)電機組遭受外在雷擊之后，最直接的那么是對整個設(shè)備造成強電流刺激。假設(shè)雷擊電流過小，那么一般只會對機組外表輕微損壞；假設(shè)雷擊電流過大，那么容易破壞發(fā)電機組內(nèi)部的線路連接情況，阻礙了機組的正常運行而破壞電力系統(tǒng)的正常性能發(fā)揮。

4、 1.3 意外事故。平安生產(chǎn)是我國電力行業(yè)堅持的理念準(zhǔn)那么，但由于風(fēng)力發(fā)電機組是野外作業(yè)，在運行期間電力人員會對發(fā)電機組進(jìn)行維修處理，假設(shè)受到雷電襲擊很容易造成人員意外事故。此外，風(fēng)力發(fā)電機組受到雷擊破壞后整體性能下降，給平安生產(chǎn)也買下了隱患。 1.4 影響供電。電能是社會正常運行不可缺少的能源之一，是現(xiàn)代社會主義可持續(xù)開展的前提條件。雷擊對發(fā)電廠造成損壞之后，電廠的電能生產(chǎn)那么會中斷一定的時間。此時會影響到電廠對城市或企業(yè)的正常供電秩序，給用電企業(yè)造成經(jīng)濟損失，對城市居民的正常生活也帶來不便。 2 雷擊損壞機理 隨著人們對可再生能源利用價值認(rèn)識的提高，以及風(fēng)電機組制

5、造、控制和其它相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電在近十幾年來的開展非常迅速，截止到2021年，中國新增安裝風(fēng)力發(fā)電機組12904臺，裝機容量18927.99MW，累計安裝風(fēng)力發(fā)電機組34485臺，裝機容量44733.29MW，超過美國，躍居世界第一。 與此同時，風(fēng)力發(fā)電機組的單機容量越來越大，一臺風(fēng)力發(fā)電機組的價值巨大，價格往往占到總工程造價的60%以上，因此風(fēng)電場的平安運行問題也越來越受到人們的關(guān)注，為了吸收更多能量，輪轂高度和葉輪直徑隨著增高，風(fēng)力發(fā)電機通常位于開闊的區(qū)域，所以整個風(fēng)機是暴露在直接雷擊的威脅之下，被雷電直接擊中的概率是與該物體的高度的平方值成正比。兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機的葉片高

6、度到達(dá)150m以上，因此風(fēng)機的葉片局部特別容易被雷電擊中。 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)電機組遭受雷擊的過程實際上就是帶電雷云與風(fēng)電機組間的放電。在所有雷擊放電形式中，雷云對大地的正極性放電或大地對雷云的負(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)電機組遭受雷擊損壞的機理與這些參數(shù)密切相關(guān)。 2.1 峰值電流。當(dāng)雷電流流過被擊物時，會導(dǎo)致被擊物溫度的升高，風(fēng)電機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)從根本上來說與雷擊放電所包含的能量有關(guān)，其中

7、峰值電流起到很大的作用。當(dāng)雷電流流過被擊物時還可能產(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)生的膨脹過壓與雷電流波形的積分有關(guān)，其燃弧過程中的強烈高溫將對被擊物產(chǎn)生極大的破壞。這也是導(dǎo)致許多風(fēng)電機葉片損壞的主要原因。 2.2 轉(zhuǎn)移電荷。物體遭受雷擊時，大多數(shù)的電荷轉(zhuǎn)移都發(fā)生在持續(xù)時間較長而幅值相對較低的雷電流過程中。這些持續(xù)時間較長的電流將在被擊物外表產(chǎn)生局部金屬熔化和灼蝕斑點。在雷電流路徑上一旦形成電弧就會在發(fā)生電弧的地方出現(xiàn)灼蝕斑點，如果雷電流足夠大還可能導(dǎo)致金屬熔化。這是威脅風(fēng)電機組軸承平安的一個潛在因素，因為在軸承的接觸面上非

8、常容易產(chǎn)生電弧，它就有可能將軸承熔焊在一起。即使不出現(xiàn)軸承熔焊現(xiàn)象，軸承中的灼蝕斑點也會加速其磨損，降低其使用壽命。 2.3 電流陡度。風(fēng)電機組遭受雷擊的過程中經(jīng)常發(fā)生控制系統(tǒng)或電子器件的損壞，其主要原因是感應(yīng)過電壓的存在。感應(yīng)過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。 3 防雷保護設(shè)計 現(xiàn)代防雷技術(shù)涉及到許多行業(yè)，其中有使用維護系統(tǒng)、設(shè)計施工系統(tǒng)、設(shè)備生產(chǎn)制造系統(tǒng)、防雷裝置生產(chǎn)、檢測系統(tǒng)等。從技術(shù)角度上看也是一系統(tǒng)工程。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)愈合理，系統(tǒng)的各個組成局部之間的有機結(jié)合就越合理，相互之間的作用就越協(xié)調(diào)，才能使整個系統(tǒng)在總體上到達(dá)最正確的運行狀態(tài)。

9、 比方防雷設(shè)計首先要從被保護物所在地理、氣象環(huán)境出發(fā)，要從被保護物的重要性和復(fù)雜性以及雷擊的后果嚴(yán)重程度出發(fā)。在設(shè)計中要考慮現(xiàn)有的保護裝置的有效利用，要與供電系統(tǒng)的型式、暴露程度，所有線纜的架設(shè)，設(shè)備自身的耐壓水平，選用防雷裝置的特性及其有機配合，以及裝設(shè)后對設(shè)備的正常工作是否產(chǎn)生不允許的影響，雷擊發(fā)生后的反響和自復(fù)能力等等復(fù)雜的因素進(jìn)行綜合考慮，當(dāng)然，還應(yīng)考慮投資與效益的關(guān)系。 按照防雷保護分區(qū)的概念，一個綜合防雷系統(tǒng)包括： 3.1 外部防雷保護系統(tǒng)：接閃器、引下線、接地系統(tǒng)。 3.2 內(nèi)部防雷保護系統(tǒng)：防雷擊等電位連接、電涌保護、屏蔽措施。 4 防雷接地

10、 風(fēng)力發(fā)電機組的特點是整機全部由大部件的鋼構(gòu)材料組成，如塔筒、發(fā)電機、齒輪箱、軸承等，當(dāng)機組遭到直擊雷時，整機電位瞬態(tài)抬升，雷電流通過葉片變槳軸承、輪轂、主軸到偏航齒輪、塔筒、根底環(huán)向大地泄放電荷，這時作為整機參考地面積最大的塔筒上將產(chǎn)生幾千伏甚至上萬伏的瞬態(tài)電壓，如果整機中某局部的等電位工藝所采用接地線的阻抗不一致，那么有可能造成阻抗較低端因高電位還擊擊穿造成設(shè)備損壞。 從防雷觀點出發(fā)，風(fēng)力發(fā)電機組宜設(shè)一共用接地體，即避雷針與塔架共用接地系統(tǒng)。接地體的布置一般可采用根底接地體或人工環(huán)形接地體。為了防止地電位還擊，引下線與接地裝置連接時，應(yīng)連接到接地裝置的邊緣局部，形成共地不共

11、線， 機組接地電阻的大小直接影響機組在接閃后是否會造成地電位還擊的重要參數(shù)。同樣是遭雷擊，接地電阻低的機組電控系統(tǒng)沒有任何損壞；而接地電阻高的機組，大多造成電控設(shè)備的損壞。還有一些防雷公司將風(fēng)場接地全部聯(lián)合起來形成大地網(wǎng)，而實際情況確卻是，當(dāng)這個大地網(wǎng)上的某一機組遭雷擊后，相鄰機組由于接地電阻不同而受到地電位還擊，此類事故在很多采用多機聯(lián)合的風(fēng)場中非常常見。 5 結(jié)束語 由于雷電現(xiàn)象具有非常大的隨機性，因此不可能完全防止風(fēng)電機組遭受雷擊，只能在風(fēng)電機組的設(shè)計、制造和安裝過程中，采取防雷措施，使雷擊造成的損失減到最小。 參考文獻(xiàn)： 【1】 2021年中國風(fēng)電裝機容量統(tǒng)計，中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會，2021，. 【2】 張小青，風(fēng)力發(fā)電機組防雷與接地，中國電力出版社，2021. 【3】 葉啟明，大型風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點[J].群眾用電，2021，.