隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量和風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的增大,風(fēng)電場(chǎng)的安全運(yùn)行問(wèn)題日益受到重視。在影響風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行的諸多因素中,遭受雷擊是一個(gè)重要方面。本文結(jié)合風(fēng)電機(jī)組防雷的研究成果,對(duì)風(fēng)電機(jī)組的雷擊過(guò)程、雷擊損壞機(jī)理以及防雷措施進(jìn)行了其內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)的要點(diǎn)闡述。
　　
　　由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量越來(lái)越大,為了吸收更多能量,輪轂高度和葉輪直徑隨著增高,風(fēng)機(jī)的高度和安裝位置決定了它是雷擊的首選通道,而且風(fēng)機(jī)內(nèi)部集中了大量敏感的電氣、電子設(shè)備,一次雷擊帶來(lái)的損壞將是非常大的。因此,必須為風(fēng)機(jī)內(nèi)的電氣、電子設(shè)備安裝完整的防雷保護(hù)系統(tǒng)。
　　
　　1、雷電對(duì)風(fēng)電機(jī)組的危害
　　
　　雷電對(duì)風(fēng)電機(jī)組的危害風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常位于開(kāi)闊的區(qū)域,而且很高,所以整個(gè)風(fēng)機(jī)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(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片高度達(dá)到150m以上,因此風(fēng)機(jī)的葉片部分特別容易被雷電擊中。風(fēng)機(jī)內(nèi)部集成了大量的電氣、電子設(shè)備,可以說(shuō),我們平常用到的幾乎每一種電子元件和電氣設(shè)備,都可以在一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組中找到其應(yīng)用,例如開(kāi)關(guān)柜、馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)裝置、變頻器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu),以及相應(yīng)的總線系統(tǒng)等。這些設(shè)備都集中在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)。毫無(wú)疑問(wèn),電涌可以給風(fēng)電機(jī)組帶來(lái)相當(dāng)嚴(yán)重的損壞。
　　
　　以下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)由歐洲幾個(gè)國(guó)家提供,其中包含了超過(guò)4000臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)據(jù)。表1是德國(guó)、丹麥和瑞典三國(guó)這些事故的匯總表。由雷擊導(dǎo)致的風(fēng)力發(fā)電機(jī)損壞數(shù)量,每100臺(tái)平均每年3.9次到8次。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上顯示,在北歐的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中,每100臺(tái)每年有4-8臺(tái)遭受雷擊而損壞。值得注意的是:雖然損害部件是不相同的,但是控制系統(tǒng)部件雷擊損壞占40-50%。
　　
　　2、雷電的破壞形式
　　
　　設(shè)備遭雷擊受損通常有4種情況,一是,設(shè)備直接遭受雷擊而損壞;二是,雷電脈沖沿著與設(shè)備相連的信號(hào)線、電源線或其他金屬管線侵入設(shè)備使其受損;三是,設(shè)備接地體在雷擊時(shí)產(chǎn)生瞬間高電位形成地電位“反擊”而損壞;四是,設(shè)備因安裝的方法或安裝位置不當(dāng),受雷電在空間分布的電場(chǎng)、磁場(chǎng)影響而損壞。
　　
　　3、內(nèi)部防雷保護(hù)措施
　　
　　防雷保護(hù)區(qū)概念是規(guī)劃風(fēng)力發(fā)電機(jī)綜合防雷保護(hù)的基礎(chǔ)。它是一種對(duì)結(jié)構(gòu)空間的設(shè)計(jì)方法,以便在構(gòu)筑物內(nèi)創(chuàng)建一個(gè)穩(wěn)定的電磁兼容性環(huán)境。構(gòu)筑物內(nèi)不同電氣設(shè)備的抗電磁干擾能力的大小決定了對(duì)這一空間電磁環(huán)境的要求。
　　
　　作為一種保護(hù)措施,防雷保護(hù)區(qū)概念當(dāng)然就包括了應(yīng)在防雷保護(hù)區(qū)的邊界處,將電磁干擾（傳導(dǎo)性干擾和輻射性干擾）降低到可接受的范圍內(nèi),因此,被保護(hù)的構(gòu)筑物的不同部分被細(xì)分為不同的防雷保護(hù)區(qū)。防雷保護(hù)區(qū)的具體劃分結(jié)果與風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)有關(guān),并且也要考慮這一結(jié)構(gòu)建筑形式和材料。通過(guò)設(shè)置屏蔽裝置和安裝電涌保護(hù)器,雷電在防雷保護(hù)區(qū)0A區(qū)的影響在進(jìn)入1區(qū)時(shí)被大大縮減,風(fēng)電機(jī)組內(nèi)的電氣和電子設(shè)備就可以正常工作,不受干擾。 　　
　　內(nèi)部防雷保護(hù)系統(tǒng)是由所有的在該區(qū)域內(nèi)縮減雷電電磁效應(yīng)的設(shè)施組成。主要包括防雷擊等電位連接、屏蔽措施和電涌保護(hù)。
　　
　　4、防雷擊等電位連接
　　
　　防雷擊等電位連接是內(nèi)部防雷保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分。等電位連接可以有效抑制雷電引起的電位差。在防雷擊等電位連接系統(tǒng)內(nèi),所有導(dǎo)電的部件都被相互連接,以減小電位差。在設(shè)計(jì)等電位連接時(shí),應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)考慮其最小連接橫截面積。一個(gè)完整的等電位連接網(wǎng)絡(luò)也包括金屬管線和電源、信號(hào)線路的等電位連接,這些線路應(yīng)通過(guò)雷電流保護(hù)器與主接地匯流排相連。
　　
　　5、屏蔽措施
　　
　　屏蔽裝置可以減少電磁干擾。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性,如果能在設(shè)計(jì)階段就考慮到屏蔽措施,那么屏蔽裝置就可以以較低成本實(shí)現(xiàn)。機(jī)艙應(yīng)該制成一個(gè)封閉的金屬殼體,相關(guān)的電氣和電子器件都裝在開(kāi)關(guān)柜,開(kāi)關(guān)柜和控制柜的柜體應(yīng)具備良好的屏蔽效果。在塔基和機(jī)艙的不同設(shè)備之間的線纜應(yīng)帶有外部金屬屏蔽層。對(duì)于干擾的抑制,只有當(dāng)線纜屏蔽的兩端都連接到等電位連接帶時(shí),屏蔽層對(duì)電磁干擾的抑制才是有效的。
　　
　　6、電涌保護(hù)
　　
　　除了使用屏蔽措施來(lái)抑制輻射干擾源以外,對(duì)于防雷保護(hù)區(qū)邊界處的傳導(dǎo)性干擾也需要有相應(yīng)的保護(hù)措施,這樣才能讓電氣和電子設(shè)備可靠的工作。在防雷保護(hù)區(qū)0A→1的邊界處必須使用防雷器,它可以導(dǎo)走大量的分雷電流而不會(huì)損壞設(shè)備。這種防雷器也稱(chēng)之為雷電流保護(hù)器（I級(jí)防雷器）,它們可以限制接地的金屬設(shè)施和電源、信號(hào)線路之間由雷電引起的高電位差,將其限制在安全的范圍之內(nèi)。雷電流保護(hù)器的最重要的特性是:按照10/350μs脈沖波形測(cè)試,可以承受雷擊電流。對(duì)風(fēng)電機(jī)組來(lái)說(shuō),電源線路0A→1邊界處的防雷保護(hù)是在400/690V電源側(cè)完成的。
　　
　　在防雷保護(hù)區(qū)以及后續(xù)防雷區(qū),僅有能量較小的脈沖電流存在,這類(lèi)脈沖電流是由外部的感應(yīng)過(guò)電壓產(chǎn)生,或者是從系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的電涌。對(duì)于這一類(lèi)脈沖電流的保護(hù)設(shè)備叫作電涌保護(hù)器（II級(jí)防雷器）。用8/20μs脈沖電流波形進(jìn)行測(cè)試。從能量協(xié)調(diào)的角度來(lái)說(shuō),電涌保護(hù)器需要安裝在雷電流保護(hù)器的下游。
　　
　　從通流量上考慮,例如一條電話線,在導(dǎo)線上的分雷電流應(yīng)按照5%來(lái)預(yù)估,對(duì)于Ⅲ/Ⅳ級(jí)防雷保護(hù)系統(tǒng),就是5kA(10/350μs)。
　　
　　7、結(jié)語(yǔ)
　　
　　雷電能量非常巨大,雷擊方式是復(fù)雜的,采用合理適當(dāng)?shù)姆览状胧┲荒軠p少損失,只有更多新技術(shù)的突破和應(yīng)用才能對(duì)雷電進(jìn)行完全防護(hù)并加以利用。風(fēng)電系統(tǒng)防雷方案分析與探討,主要應(yīng)考慮風(fēng)電的接地系統(tǒng)設(shè)計(jì),由于我國(guó)風(fēng)電在各種地質(zhì)地貌下都有涉及,針對(duì)不同地質(zhì)的風(fēng)電接地系統(tǒng)可以分類(lèi)設(shè)計(jì),采用不同的方法達(dá)到接地電阻要求。