一种新型的风力发电机组直击雷防护方案

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一种新型的风力发电机组直击雷防护方案

原作者：YasudaYoh（日本）编译：庄严

关象石 庄严 牛封

1、中国气象学会雷电防护委员会2、中国可再生能源学会风能专业委员会

3、北京欧地安科技有限公司

风力发电机组由于其特殊的工作环境和高度特点，往往成为雷击的目标。雷电对风力发电机的损坏不仅局限于对叶片的损坏，同时也会造成风力发电机组控制系统的严重事故，

虽然国际电工委员会和各个国家都编制了相应的风力发电机组的相关规范，例如IEC61400-24,NRELSR-500/31115中都有对风力发电机组的雷电防护作出规定，减少雷击对风力发电机组的侵害，但是实际运行中仍有大量的风力发电机组因雷击而造成严重的损失。

本文介绍了一种针对于风力发电机组的有效的解决方案，并且以模拟实验作为推理依

据。

关键词:风力发电、风力发电设备、防雷接地

1.背景介绍：

风力发电机的高速发展是全球能源问题的一个表现，在风力发电机在全世界范围内大规模的建设的同时，雷电对风力发电机组的威胁也越加严重，因为，风力发电组的平均高度都在100m左右，并且完全暴露在雷电活动的环境下，并且雷电对风力发电机组的破坏是系统性的同时具有严重的损害后果。在日本，风力发电机组的防雷保护已经是风力发电企业必须重视的重要议题，事实上，在日本海沿海地区已经运行的风力发电机组经常会遭到

雷击，

有相应的数据表明，冬天的闪电其雷击频次和电流水平远远高于春夏季的正常水平。虽然风力发电机组都采取了一定的防雷电措施，但是对于叶片和内部电控设备的损坏仍然没有得到大幅度的减少，而在机仓上树立一根避雷针是不能完全解决风力发电机组的防雷

问题的。反倒会为机仓内的电子设备造成严重的雷击电磁脉冲的侵袭。为了降低工程成本，按照IEC61400-24标准中的介绍，风力发电机组采用叶片作为接闪器，同样会造成对风力发电机组的严重损坏，由于泻流通道的不完善，风力发电机组的叶片、发电机、变压器及控制电路同样会遭到破坏。根据IEC整理的相关数据表明，最常见的事故是低压配电系统和通信系统的损坏。本文设计了一种针对于风力发电机的轮毂和机舱底座之间的放电通道，使雷电流不通过风力发电机的主轴及机舱壳体，减少了雷击电磁脉冲的强度。本设计采用了2个环形放电极，分别固定在轮毂和机舱水平主轴上，通过间隙放电的形式使雷电流快

速泻放。本实验以模拟2KW的风力发电机按照1/100同比例缩小进行实验演示。

2.模拟系统的防雷方案

图1是本次实验的原理示意和传统的风力发电机雷电泻流通道的对比。一般情况，雷电击中叶片后，会通过叶片上的避雷线传导雷电流到轮毂，并且通过轮毂的联轴器进入风机机仓的齿轮箱通过其外壳向塔筒泻流至大地；而新型的措施的雷电通道是通过叶片接闪后直接泻放到轮毂的环形放电器上，通过轮毂上的环形放电器与塔筒上水平安装的环形放电器之间的放电，泻放雷电流；由于雷电流没有通过机舱内部，所以不会对机舱内的电子

设备和线路造成干扰和损害。

3．模型试验

为了验证提出的防护措施有效性，作者进行了模拟雷击实验。为了精确的模拟2MW风机的模型，采用1/100的比例进行缩小，2MW的风机高度为60m，叶片旋转半径39m，模型的高度为60cm,叶片旋转半径39cm（如图2.3）.该模型有不可燃的ABS树脂作为模型的制作材料，用其制作塔筒、叶片和机舱，环形电极采用4mm的铜线制成，分别固定在轮毂和机舱旋转面以下。在叶片上采用2mm的铜线作为叶片的避雷线。塔筒上的环形电极通过单

独的引线接地。实验使用的是800KV/5KJ脉冲发生器，如图所示。

4．试验过程

实验表明（图6），通过对模型的放电观察，明显的看到，当叶片接闪后雷电流通过轮毂的环形电极与固定在塔筒上的水平电极形成了放电间隙，并持续的进行了放电；在改变放电板与叶片间的距离后（如图7）叶片的避雷线同样将雷电流引入轮毂的环形放电器，并通过其与塔筒的水平环形放电极进行了放电。当改变风车的角度后（图9），是雷电流击中风车机舱时，可以明显的看到机舱顶部的避雷针已经形成了上行先导，当雷电通道形成后，固定在轮毂的环形放电器与固定在塔筒的环形放电器同样形成了放电通道。通过对全部细节情况(b)的放大。可以看到轮毂上固定的垂直环形电极与塔筒上的水平电极之间的放电效

果.在（图10）中通过数值的总结及对比以上的试验结果。并且验证了这种方式的有效性，无论是采用正极性还是负极性产生的电流都能够有效的通过两道环形放电极进行泻放，试验结果表明，环形放电极之间的距离越小，对雷电的泄放效果越好，但目前的问题是如何在风机的轮毂及塔筒上固定好这两个环形放电极，由于风机在运行过程中会产生自振和共

振效应，需要确保量和环形放电极之间的距离保持一定，并且能够良好接触。

5．结论

本实验提出了一种新型的对于风力发电机防雷有效的防护方法，改变了传统的雷电泻流通道，减少了雷击电磁脉冲对机舱内电子设备的侵入程度，有效的提高了风力发电机组

的抗雷能力。

附图：

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