基于雷电预警技术的风电设施防雷技术

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1、基于雷电预警技术的风电设施防雷技术李强1王婷婷2李楠3摘要0引言风力发电技术迅猛发展，单机发电量不断增加，风电机组高度已增加到上百米，风电机组叶片遭受雷击风险也随之加大．通过雷电损害实例分析风机叶片雷击灾害机理，分析雷电击中风机叶片的形成和发展过程，总结大型风机叶片的特点和风电场的环境因素，以大气电场仪的预警数据为基础，结合前沿的等离子体防雷新技术，针对风力发电机的具体情况进行改进，提出实现风电叶片主动避雷的防雷技术构想，探索一种实现风电机组设备避雷的新思路．关键词风电叶片;雷电预警;等离子体;防雷从20世纪70年代开始，风力发电首先在美国、西欧等发达国家

2、发展起来，风力发电从低功率小型发电机发展到现在的兆瓦级风电机，不断地朝大型化方向发展，风电机组的高度也由过去的几十米增加到现在的一百多米，其中6000kW风电机组高度已接近200m．风电机组单机发电量增加要求轮毂高度和叶轮直径随之增加，风电机组遭受的雷击率也不断增加．风电机组在雷雨天气时能否正常工作，风电机组本体及机内的各种设备是否易受雷电损害显得尤为重要．风电机组发电量的增加同时会导致整个风电产业的零部件研发制造、运输组装费用增加，直接导致雷击破坏程度和维修成本直线上升．由于风能因素的地域限制，很多风电场分布在山口、高原地区、沿海等雷雨多发地区，遭受雷电

3、损失的风险极大．目前风电机组防雷设计大都是参照国际电工委员会(IEC)推出的《风力发电机组的防雷保护(试行本)》(IEC61400—24)，主要防雷保护思路是将雷电流安全中图分类号TK89;TM862文献标志码A地从雷击点传导到接地轮毂［1-2］，利用风电机组的叶片作为接闪器，将雷电流泄放．这种设计思路可以有效地降低雷击造成的损失，但是由于风电机组本身条件的限制，在接闪泄放的同时也会增加雷电击中风机叶片的概率，对风机叶片本身和风电机组内部的精密设备造成损害．对于风电机组这种特殊设备的避雷保护需要一种更为有效的防雷措施，而等离子避雷系统是通过减小雷电击中被保

4、护物的几率来实现防雷保护的，可以满足这一要求．目前国内对于等离子避雷器的研究已经很有成效，在庄洪春等［3］的多年努力下已经成功设计出产品，其防雷效果已经通过诸多试验验证．本文在对国内风机雷击事故进行分析的基础上，根据雷电流特征和风电机叶片的特点，借鉴绝缘避雷的理念，结合等离子体避雷技术，提出基于大气电场仪预警技术的风机叶片防雷设计新构想．收稿日期2011-10-07资助项目公益性行业科研专项(GYHY2008-06014)作者简介李强，男，硕士生，主要从事雷电防护研究．1205127787@qq．com1雷击事故分析近十几年风电产业在我国飞速发展，由于我国

5、的特殊气候条件，很多风电场选址建设的过程中没有考虑到雷电对于风电机组的破坏作用，导致建成后发生很多严重的雷击事故．浙江苍南风电场遭受灾害较为频繁，最严重的一次是在1995年的雷击过程中，一台风电机组遭受雷击，从叶尖到叶根开裂损坏报废．沈阳康平富饶山风电场遭受1南京信息工程大学大气物理学院，南京，2100442三明市气象局，三明，3650013聊城市气象局，聊城，252000一方面泄放通道、接地电阻很难达到要求，这反而可的电子原器件［6］．因此，若能从源头上消除或减少雷电击中风叶的风险，将大大减轻雷电对风电系统的损害．能增加雷电造成的损失．3基于大气电场预警

6、技术的叶片主动防雷系统2风机叶片防雷设计现状及存在问题3.1风电叶片接闪的过程分析雷云在风电场上方形成后，由地面产生的感应电荷，使得风电机叶片相对于雷暴云形成一个极不均匀电场极，同时由于风电机组的高度较高以及叶片长度加大，使之等同于一个大曲率电极，造成附近空气发生游离，而具备自持放电条件形成流注，流注发展到足够长度后，有较多电子沿流注通道流向电极，所有电子都将通过通道的根部进入电极，由于剧烈的摩擦产生高温，出现热游离过程，这个通道逐渐传统的风电机组叶片防雷设计是在风机叶片上加装接闪器，嵌装在桨叶的叶尖、中间等部位，接闪器的盘面与叶面齐平，在桨叶内部跨接到引

7、下导体．这种接闪方式接闪面积较小，很难保证接闪器是桨叶上的唯一雷击点，现场运行经验表明，对于长度超过20m的桨叶无法做到有效保护［7］．将接闪圆盘用金属带代替镶嵌在桨叶表面，这种方法克服了圆盘接闪面积过小的缺点，但是在桨叶表面嵌装的金属网带很难保证在整个桨叶长度范围内与其表面的完全紧密电气接触和牢固黏合，在长期恶劣天气的影响下这一问题会进一步加剧，金属网带上传导的雷电流将会在接触不紧密的脱离部分产生热效应，对桨叶材料造成损伤．目前大型风电机的叶片普遍较大，单机功率为1.5～2.5MW的风电机，叶片长度已达50m，单机功率5MW的风电机叶片长度更是达到60m

8、以上，叶片质量将达到30t，之前的一些防雷接闪方法已经完全不适合此