摘要：由于風(fēng)力發(fā)電具有清潔無污染、可持續(xù)利用等方面的特點(diǎn)，在我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)約利用資源、促進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和推進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展方面的作用巨大。隨著全球風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)張，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因雷擊引發(fā)的故障問題逐年增加，且以雷電繞擊引發(fā)的設(shè)備損壞和經(jīng)濟(jì)損失尤為顯著?；诖?，本文結(jié)合雷電繞擊原理，分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷電繞擊原因及危害，同時提出了幾點(diǎn)科學(xué)有效的雷電繞擊防護(hù)措施，以期提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雷電防護(hù)水平，確保風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
1、引言
在全球能源轉(zhuǎn)型和碳中和推進(jìn)的過程中，作為清潔能源的主力軍，風(fēng)力發(fā)電迎來了蓬勃發(fā)展。近年來，全球風(fēng)電裝機(jī)容量高速增長，我國更是走在行業(yè)前列，2023年新增裝機(jī)容量占全球40%以上，風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)已成為能源供應(yīng)體系的重要支撐。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組矗立在空曠地帶，且輪轂高度在百米以上，而葉片長度達(dá)到了80米左右，這種高聳結(jié)構(gòu)很容易成為雷電襲擊的對象。有統(tǒng)計(jì)顯示表明，約80%左右的風(fēng)機(jī)每年至少遭受一次雷擊，且以雷電繞擊最為棘手，其引發(fā)的事故占比還在逐年增加。雷電繞擊是指雷電繞過風(fēng)機(jī)接閃位置，擊中葉片、電氣系統(tǒng)等關(guān)鍵部位的特殊雷擊現(xiàn)象，因隨機(jī)性強(qiáng)、隱蔽性高，很難通過常規(guī)手段進(jìn)行防御，強(qiáng)大的雷電流會在瞬間釋放強(qiáng)大能量，使得葉片內(nèi)部溫度驟然升高，進(jìn)而出現(xiàn)爆裂、穿孔甚至斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。同時，雷電流產(chǎn)生的電磁脈沖還會對電氣和控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響，使得機(jī)組停機(jī)、數(shù)據(jù)丟失，甚至是引發(fā)火災(zāi)爆炸事故，并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，不僅影響風(fēng)電項(xiàng)目收益，還在一定程度上削弱了公眾對風(fēng)電可靠性的信息。因此，全面分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雷電繞擊影響因素及危害，并探索科學(xué)有效的防護(hù)措施，對保障風(fēng)電安全、加快能源轉(zhuǎn)型具有十分重要的作用。
2、雷電繞擊原理
雷電的形成是大氣云層中積累的電荷，一旦電場強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值時，會有極為強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象。在雷電放電中，雷電先導(dǎo)會逐漸朝著地面發(fā)展，在接近地面后，會結(jié)合四周物體電場分布狀況選擇合適的放電通道。傳統(tǒng)觀念中，接閃器可吸引雷電，進(jìn)而向大地中泄放雷電流，以保護(hù)設(shè)備。在實(shí)際情況中，因風(fēng)力發(fā)電機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的大氣環(huán)境，雷電先導(dǎo)可能不會根據(jù)預(yù)期路徑被接閃器吸引，而是繞過接閃器擊中風(fēng)力發(fā)電機(jī)的其他部位，該現(xiàn)象就被稱之為雷電繞擊。結(jié)合電場分布情況，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)中會改變周邊電場分布情況。在雷電先導(dǎo)接近時，葉片尖端、機(jī)艙等部位的電場強(qiáng)度會發(fā)生變化，使得雷電先導(dǎo)偏離接閃器吸引范圍，雷電繞擊風(fēng)險(xiǎn)隨之增大。另外，大氣中的氣流、濕度等也會影響雷電先導(dǎo)發(fā)展路徑，雷電繞擊的不確定性加劇。
3、風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷電繞擊原因
3.1自身結(jié)構(gòu)
①葉片。實(shí)際上，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片較長，且以復(fù)合材料為主，相較于金屬材料，該類型材料對雷電的吸引和傳導(dǎo)能力較弱。葉片在旋轉(zhuǎn)中會改變表面電場分布，使得雷電更容易繞擊葉片。另外，葉片形狀和表面粗糙度也會對電場分布產(chǎn)生影響，雷電繞擊出現(xiàn)的概率隨之增加。②機(jī)艙。機(jī)艙是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件，內(nèi)部包含有各種類型的電氣設(shè)備和控制系統(tǒng)。機(jī)艙中的高度和尺寸較大，在雷電先導(dǎo)發(fā)展中，頂部和側(cè)面電場強(qiáng)度數(shù)值較大，極易成為雷電繞擊目標(biāo)。機(jī)艙內(nèi)的電氣設(shè)備對雷電過電壓反應(yīng)較為敏感，當(dāng)遭受雷電繞擊后，可能會損壞設(shè)備，不利于風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常工作。
3.2環(huán)境因素
通常情況下，風(fēng)力發(fā)電場往往分布在高山、沿海等地，由于這些地區(qū)的地貌地形條件復(fù)雜，大氣電場分布極不均勻，雷電出現(xiàn)頻率和強(qiáng)度均較高，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)遭受雷電繞擊的概率大幅度增大。如，在山區(qū)，雷電可能沿著山脊發(fā)展，在繞過接閃器后很容易擊中風(fēng)力發(fā)電機(jī)；沿海地區(qū)，因海洋氣候的影響，該地空氣濕度偏高，雷電活動劇烈，出現(xiàn)雷電繞擊的風(fēng)險(xiǎn)增大。
3.3接閃器設(shè)計(jì)因素
接閃器設(shè)計(jì)是否合理直接關(guān)系到對雷電的吸引效果。若是接閃器高度不足、數(shù)量較少或布設(shè)不合理，就很難吸引雷電，風(fēng)力發(fā)電機(jī)出現(xiàn)雷電繞擊的概率增加。另外，接閃器與風(fēng)力發(fā)電機(jī)其他部件間的電氣連接是否良好也極其重要。若是連接不良，會在雷電電流傳導(dǎo)中產(chǎn)生阻抗，雷電過電壓快速升高，設(shè)備極易受損。
4、風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷電繞擊危害
4.1核心部件受損
葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生風(fēng)能的關(guān)鍵部位，雷電繞擊葉片時，強(qiáng)大的雷電流在葉片內(nèi)部會有較高的溫度和壓力產(chǎn)生，使得葉片材料在瞬間被熔化、汽化，進(jìn)而形成空洞、裂紋等損壞。與此同時，雷電流引發(fā)的電磁效應(yīng)會在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷，進(jìn)而出現(xiàn)靜電放電，葉片受損程度不斷加劇。葉片損壞在對風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電效率產(chǎn)生影響的同時，還會造成葉片斷裂，引發(fā)安全事故。另外，繞擊產(chǎn)生的沖擊力會作用到輪轂、主軸和軸承等機(jī)械部件，雖然表面沒有明顯的破損，但內(nèi)部金屬晶體結(jié)構(gòu)會極易因高頻振動產(chǎn)生微裂紋。長此以往會造成軸承間隙增大、主軸同心度便宜，最終引發(fā)齒輪箱漏油、主軸卡死等故障。
4.2電氣系統(tǒng)連鎖故障
雷電流通過葉片接閃器接地后，在回路中會有瞬態(tài)過電壓產(chǎn)生，很容易擊穿發(fā)電機(jī)定子繞組的絕緣層，使得匝間出現(xiàn)短路。與此同時，控制室內(nèi)的精密電子元件，如PLC控制器、變流器等對電磁干擾反應(yīng)的較為敏感，繞擊產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢可瞬間燒毀電路板，使得飛機(jī)失去變槳控制能力，進(jìn)而產(chǎn)生飛車事故。對于集電電纜來說，若是沒有將屏蔽接地措施做好，繞擊產(chǎn)生的雷電波將沿著電纜傳導(dǎo)，將會擊穿變壓器繞組匝間絕緣，油浸式變壓器可能會因內(nèi)部電弧而出現(xiàn)爆炸事故，進(jìn)而引發(fā)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
4.3火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)與電網(wǎng)擾動
因雷電中的熱效應(yīng)會造成機(jī)艙內(nèi)電氣設(shè)備溫度驟然升高，如電纜接頭處因電阻增大產(chǎn)生高溫，引燃絕緣材料和潤滑油。由于機(jī)艙空間較小且通風(fēng)條件受限，一旦起火后，在短時間內(nèi)火勢會逐漸朝整個設(shè)備蔓延，嚴(yán)重的情況下會燒毀整臺風(fēng)機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)遭受繞擊后，定子繞組短路會有強(qiáng)大的沖擊電流產(chǎn)生，使得并網(wǎng)點(diǎn)電壓驟然下降，使得電網(wǎng)電壓出現(xiàn)暫時下降的情況。若是多個風(fēng)機(jī)在同時間遭受雷擊，將會觸發(fā)電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置動作，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)周邊地區(qū)出現(xiàn)大范圍停電。
4.4停機(jī)損失
當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)遭受雷電繞擊損壞后，需立即關(guān)停維修。維修期間包括多個環(huán)節(jié)，如檢修設(shè)備、更換零部件、調(diào)試系統(tǒng)等，耗時較長。在停機(jī)期間，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將不能正常發(fā)電，會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)估算，對大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說，一臺發(fā)電機(jī)停機(jī)一天，發(fā)電收益可能會損失數(shù)萬元。另外，若是頻繁的停機(jī)維修，會造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用壽命縮短，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本大幅度增加。
5、風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷電繞擊防護(hù)措施
5.1優(yōu)化接閃器設(shè)計(jì)
5.1.1布設(shè)提前放電避雷針
實(shí)際上，提前放電避雷針主要是利用內(nèi)部的電子裝置或放射性元素確保雷電先導(dǎo)還沒有接近保護(hù)的物體時，主動產(chǎn)生向上的迎面先導(dǎo)。將其與傳統(tǒng)避雷針進(jìn)行比對，該類型避雷針的接閃能力較強(qiáng)且保護(hù)范圍大。有關(guān)研究結(jié)果表明，在相同條件下，安裝提前放電避雷針的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其雷電繞擊概率可降低 30%~50%作用。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)高度、當(dāng)?shù)乩纂娀顒訁?shù)等因素，對提前放電避雷針的型號和安裝位置進(jìn)行合理選擇。如，若是風(fēng)力發(fā)電機(jī)高度在120m以上，可將多支提前放電避雷針安裝到風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片尖端、機(jī)艙頂部等關(guān)鍵部位，以形成立體防護(hù)網(wǎng)絡(luò)。
5.1.2 接閃器布局優(yōu)化
由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，選用傳統(tǒng)的單支接閃器很難完全覆蓋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的所有部件，因此需要采用多接閃器聯(lián)合防護(hù)的方案。通過建立雷電繞擊仿真模型，結(jié)合電氣幾何模型（EGM）和先導(dǎo)發(fā)展模型（LPM），可以對不同接閃器布局方案的防護(hù)效果進(jìn)行評估和優(yōu)化。在葉片表面每間隔一定距離布設(shè)一個小型接閃器，并通過低阻抗引下線與機(jī)艙接地系統(tǒng)連接，可將葉片繞擊風(fēng)險(xiǎn)降低。另外，將環(huán)形接閃器布設(shè)到塔筒頂部，可對塔頂進(jìn)行有效保護(hù)，進(jìn)而減少雷電從塔筒側(cè)面繞擊風(fēng)險(xiǎn)。
5.2 加強(qiáng)電氣系統(tǒng)防護(hù)
5.2.1浪涌保護(hù)器的選型與配置
浪涌保護(hù)器是風(fēng)力發(fā)電機(jī)電氣系統(tǒng)防雷的關(guān)鍵設(shè)備。根據(jù)安裝位置和防護(hù)需求的不同，可將浪涌保護(hù)器分為電源線路浪涌保護(hù)器、信號線路浪涌保護(hù)器和天饋線路浪涌保護(hù)器等類型。在電源線路中，通常采用三級防護(hù)配置：第一級浪涌保護(hù)器安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)變壓器的高壓側(cè)，用于泄放大部分雷電流；第二級浪涌保護(hù)器安裝在變壓器低壓側(cè)，進(jìn)一步限制過電壓；第三級浪涌保護(hù)器安裝在各電氣設(shè)備的前端，保護(hù)敏感電子元件。在選型時，需根據(jù)線路的額定電壓、最大持續(xù)運(yùn)行電壓、雷電流參數(shù)等確定浪涌保護(hù)器的標(biāo)稱放電電流、最大放電電流、電壓保護(hù)水平等參數(shù)。
5.2.2 屏蔽與接地優(yōu)化
為了減少雷電電磁脈沖的感應(yīng)耦合，需做好電氣線路的屏蔽處理。通過采取金屬鎧裝電纜或在電纜外套上金屬屏蔽管，并將屏蔽層兩端做好可靠接地，可將線路上的感應(yīng)過電壓降到最低。與此同時，還要對接地系統(tǒng)不斷優(yōu)化，以減少接地電阻值，這是提升電氣系統(tǒng)防雷性能的重要舉措。通常情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的接地系統(tǒng)以環(huán)形接地網(wǎng)為主，通過增加垂直接地極、使用降阻劑等方法，可將接地電阻降至4Ω以下。此外，將葉片、機(jī)艙、塔筒等部件的接地系統(tǒng)進(jìn)行等電位連接，能夠避免地電位差對電氣設(shè)備造成損壞。
5.3 采用新型材料和技術(shù)
5.3.1導(dǎo)電納米涂層的應(yīng)用
在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片表面涂覆導(dǎo)電納米涂層屬于新型的防雷技術(shù)。導(dǎo)電納米涂層主要由碳納米管、石墨烯等導(dǎo)電納米材料與基體樹脂復(fù)合而成，其導(dǎo)電性能和機(jī)械性能較強(qiáng)。一旦風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片被雷電擊中，通過導(dǎo)電納米涂層能夠迅速將雷電流分散傳導(dǎo)，降低局部電流密度，減少葉片的熱損傷和機(jī)械損傷。實(shí)驗(yàn)室測試表明，涂覆導(dǎo)電納米涂層的葉片模型，在遭受模擬雷電沖擊后，表面溫度升高幅度降低約 60%，內(nèi)部應(yīng)力峰值減小約 40%。目前，該技術(shù)已在部分海上風(fēng)機(jī)葉片中試點(diǎn)應(yīng)用，且取得了良好的防護(hù)效果。
5.3.2 智能監(jiān)測與主動防護(hù)技術(shù)
利用傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷電防護(hù)智能監(jiān)測系統(tǒng)，以實(shí)時監(jiān)測雷電活動、防雷系統(tǒng)和設(shè)備健康狀況。通過在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、機(jī)艙、塔筒等位置安裝電場、電流及振動傳感器，并將采集到的雷電參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。一旦檢測到雷電活動，系統(tǒng)可對繞擊風(fēng)險(xiǎn)自動評估，同時結(jié)合提前設(shè)置的策略開展主動防護(hù)，如調(diào)整葉片角度、切斷非關(guān)鍵設(shè)備電源等。此外，通過對歷史數(shù)據(jù)的分析，還能提前預(yù)測防雷系統(tǒng)故障隱患，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)，增強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可靠性與安全性水平。
結(jié)論：
綜上所述，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雷電繞擊問題對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響較大，通過深入分析雷電繞擊原理、影響因素及危害，提出了一系列行之有效的防護(hù)措施，以降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷電繞擊概率，減少設(shè)備損壞和經(jīng)濟(jì)損失，提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的安全性和可靠性水平。
作者：李萍 李利軒 劉洪波
地址：海南省?？谑协偵絽^(qū)振發(fā)路10號
電話：15103000158
郵箱：48311567@qq.com
