风力发电机组对自然灾害的防护

五、风力发电机组对自然灾害的防护

风力发电机组的安装场所和工作地点是完全暴露在大自然当中的，因此风力发电机组经常在极其恶劣的环境中运行，如雨水、盐雾、低温、飞鸟、沙尘暴、雷电等。为了使风力发电机组能安全、可靠地运行，就必须要采取对自然灾害的防护措施。下文以雷击危害及其防护为重点介绍内容，并且简单介绍闪电，台风、强风暴，风雪，日照，空气湿度等对风力发电机的危害及防护措施。

1．雷击危害及防护

雷击是影响风力发电机组运行安全的一个重要因素。国外有些风力发电场的雷击率在10%左右，在所有引发风力发电机组故障的外部因素(如风暴、结冰、雷击以及电网故障等)中，雷击约占25%。在我国，雷击损坏情况较为严重，近年来仅叶片的雷击年损坏率就达5．5%左右。对风力发电机组来说，危险性最大的是峰值较低的雷电流，这些快速变化的雷电流将产生暂态磁场，而暂态磁场可以通过感应和辐射对周围的电子系统造成危害。风力发电机组在西藏应用时，防雷问题十分突出，必须给予高度重视。

(1)风力发电机的防雷特点

电闪雷鸣释放的巨大能量会造成叶片爆裂、电气绝缘击穿、自动化控制和通信元件烧毁。

1)一般雷击率:在年均10雷电日地区，建筑物高度h与一般雷击率n的关系见表8-3。

表8-3　建筑物高速h与雷击率n的关系

2)环境:风力发电机分散安置在旷野，大型风力发电机叶片高点(轮毂高度加风轮半径)达60～70m，易受雷击;风力发电机组的电气绝缘低(发电机电压为690V、大量使用自动化控制和通信元件)。因此，就防雷来说，风力发电机组的环境远比常规发电机组的环境恶劣。

3)严重性:风力发电机组是风力发电场的贵重设备，若其遭受雷击(特别是叶片和发电机贵重部件遭受雷击)，除了损失修复期间应该发电所得之外，还要负担受损部件的拆装和更新的巨大费用。雷击常常引起机电系统的过电压，造成风力发电机组自动化控制和通信元件的烧毁、发电机击穿、电气设备损坏等事故。所以，雷击是威胁风力发电机组安全经济运行的严重问颢。

(2)叶片防雷研究

雷击造成叶片损坏的机理是:雷电释放巨大能量，使叶片结构温度急剧升高，分解气体高温膨胀、压力上升造成爆裂破坏，所以叶片必须加装防雷装置。TACKE公司设计了玻璃钢防雷叶片(见图8-5)，叶片顶端铆装一个不锈钢叶尖，用铜丝网贴在叶片两面，将叶尖与叶根连为一导电体。铜丝网可将叶尖的雷电引导至大地，也可防止雷击叶片主体。

图8-5　TACKE公司叶片防雷设计

1—不锈钢叶尖;2—铜丝网

研究表明，不管叶片是用木头或玻璃纤维制成，还是叶片包导电体，雷电导致损害的范围取决于叶片的形式。叶片全绝缘并不减少被雷击的危险，而且会增加损害的次数。研究还表明，多数情况下被雷击的区域在叶尖背面(或称“吸力面”)。在研究的基础上，LM公司设计的防雷性叶片能得到了发展，在叶尖装有接闪器(见图8-6)捕捉雷电，再通过叶片内腔导引线使雷电导入大地，约束雷电，保护叶片，设计简单又耐用。如果接闪器或传导系统附件需要更换，则只是机械性的改换。

图8-6　LM公司叶片防雷设计

1—电缆;2—接闪器;3—钳件;4—叶尖

据统计资料分析可得出以下结论:

1)风力发电机遭雷击概率高且严重，安装在高山的风力发电机比在低地和海边更容易受雷击;

2)控制系统损坏率最高，是雷害薄弱环节;

3)电气系统和发电机损坏概率也不低，说明雷电造成的过电压必须引起重视;

4)叶片损坏造成损失电量最多、修理费用最大。

(3)防雷标准及地电阻要求

现代的雷电保护可分为外部雷电保护和内部雷电保护两部分。按照IEC1024—1标准，以雷电5个重要参数确定保护水平分工Ⅰ～Ⅳ级，见表8-4。

表8-4　雷电保护水平等级

有关实验表明，叶片避免直击雷的破坏大有改善。当外部直击雷打到叶片，将雷电导入大地也不难，但是，风力发电机组在离地40～50m机舱内的设备和地面控制框设备都与雷电引下系统有某种相连，雷电流引起过电压，造成这些设备的损坏面广是棘手的问题。

雷电流引起过电压，取决于引下系统和接地网。目前，国际上不同风力发电机厂家对地电阻值的要求(见表8-5)不同:丹麦(Vestas、Micon)要求的地电阻值较大;美国(Zond)、西班牙(Made)次之;德国(Nordex、Jacobs)要求的地电阻值最小。

表8-5　不同厂家对地电阻值要求

(4)防雷和过电压保护设计

雷击保护的原理是使机组所有部件保持电位平衡，并提供便捷的接地通道以释放雷电，避免高能雷的积累。事实上，机组可以承受很高的电压和电流而不至于影响机组的正常运行。

1)叶片:叶片的雷击保护是通过安装在叶尖上的雷电接收器并借助于叶尖气动刹车机构作为传导系统来实现的。从风轮到机舱底座，是通过电刷和集电环来连接的。雷击时，连接主轴与轴承座的电刷可将瞬态电流不经过轴承而安全地转移到机舱底座进入接地网。叶片防雷系统的主要目标是避免雷电直击叶片本体，而导致叶片本身发热膨胀、迸裂损害。

2)机舱:钢结构的机舱底座为舱内机械提供了基本的接地保护。机舱主机架除了与叶片相连，还连接机舱顶上的避雷棒(见图8-7)。避雷棒用来保护风速计和风标免受雷击。机舱底座通过电缆与塔架连接，塔架与地面控制柜通过电缆与埋入基础内的接地系统相连。

图8-7　机舱防雷设计

续表

3)塔架及引下线:专设的引下线连接机舱和塔架，减轻电压降，跨越偏航环，机舱和偏航刹车盘通过接地线连接，因此雷击时将不受到伤害，通过引下线将雷电顺利地引入大地。

4)接地网:接地网设在混凝土基础的周围(见图8-8)。接地网包括1个50mm²铜环导体，置在离基础1m地下1m处;每隔一定距离打入地下镀铜接地棒，作为铜导电环的补充;铜导电环连接到塔架两个相反位置，地面的控制器连接到连点之一。有的设计在铜环导体与塔基中间加上两个环导体，使跨步电压更为改善。如果风力发电机放置在高地电阻区域，地网将要延伸，保证地电阻达到规范要求。一个有效的接地系统应保证雷电入地，以为人员和动物提供最大限度的安全以及保护风力发电机组各部件不受损坏。

图8-8　接地树

(5)内部防雷(过电压)保护系统

1)等电位汇接:风速计和风标与避雷针一起接地等电位;机舱的所有组件如主轴承、发电机、齿轮箱、液压站等以合适尺寸的接地带连接到机舱主框作为等电位;地面开关盘框由一个封闭金属盒连接到地等电位。

2)隔离:在机舱上的处理器和地面控制器通信，采用光纤电缆连接;对处理器和传感器分开供电的直流电源。

3)过电压保护设备:在发电机、开关盘、控制器模块电子组件、信号电缆终端等，采用避雷器或压敏块电阻的过电压保护。

(6)分析及结论

1)实际统计和理论分析表明，雷害是威胁风力发电机组安全生产和风场效益的严峻问题。风力发电是新兴的行业，从防雷研究成果看，风力发电机组的外部直击雷保护，重点是放在改进叶片的防雷系统上;而内部的防雷——过电压保护则由风力发电机厂家设计完成。此外，各个国际风力发电机厂家实际设计所依据标准和参数(包括地网电阻)就有很大差别。所以，这样形成的风力发电机制造在产品上就留下了某些薄弱环节。为了改进风力发电机组的防雷性能，首先要确定合理统一的防雷设计标准，明确防止外部雷电和内部雷电(过电压)保护的制造工艺规范，这是提高风力发电机组防雷性能的基础。

2)地域不同的雷电活动有所差别，如我国北方和南方的雷电活动强度就不一样。

3)风力发电机的一般外部雷击路线是:雷击(叶片上)接闪器→(叶片内腔)导引线→叶片根部→机舱主机架→专设(塔架)引下线→接地网引入大地。但是，据丹麦和德国统计数据，受雷击损坏部位中，雷电直击的叶片损坏占15%～20%，而80%以上是与引下线相连的其他设备，受雷电引入大地过程中产生过电压而损坏，就是说，雷电形成的过电压必须引起充分重视。

4)风力发电场微观选址中，地质好的风力发电机基础和低电阻率地网点是有矛盾的;而风力发电机设备耐雷性能的设计和要求现场地电阻值的高低也是有矛盾的。所以，必须充足考虑各方面因素，进行技术经济的优化。

5)我国正在实施风力发电机国产化，而国外风力发电机防雷和过电压设计也不是很完善。所以在引进吸收过程中，改进风力发电机防雷和过电压设计是必要的。

2．闪电危害及防护

闪电是对风力发电机组叶片最具有破坏力的方式之一，闪电时释放的巨大能量可以严重地破坏叶片，最坏时可以导致叶片完全被毁坏。和陆地风力发电机组不同，海上风力发电机组周围数公里处没有更高的物体，所以更容易遭受到雷电攻击。

对海上风力发电场的维护与对陆地风力发电场维护有很大不同。接近海上风力发电机组比接近陆地风力发电机组要困难得多，在恶劣的天气，可能有数天完全不能接近海上风力发电机组，即使在风平浪静的天气，海上作业也比陆地困难得多。根据统计数字，海上风力发电场的运行与维护费用是陆地的5～10倍。兆瓦级别的海上风力发电机组对可靠性的要求更高，因为风力发电机组的容量越大，发生故障带来的损失也越大。

因此，有效的闪电保护系统也就显得更加重要，在大型风力发电机组叶片中使用碳纤维意味着对闪电保护技术的要求甚至更高。

开发闪电保护系统时需要分析闪电的详细过程，闪电发生的过程可以包括以下几个步骤:最初的光环形式;由最初的光环发展成的彩色长带;头部紧接着增长;最终放电，发展成导体通道，即闪电。

闪电冲击力的强度变化非常大，通常用安培作为测量闪电强度的单位。一般说来，闪电强度越大(安培值越大)，对于风力发电机及其类似的物品来说越危险，但是对于人类来说并不完全正确。当然，一旦闪电击中一个目标，由较大能量的闪电引起的破坏比较小能量的闪电要大。然而，较小能量闪电往往危险更大，原因有两个:一是较小能量闪电发生得更频繁;二是它们更频繁地击中较低的目标。

普通闪电通常最大能量值大约为30kA，虽然比较大的闪电能量值超过150kA，但在自然界发生的概率仅仅为0.5%左右。

3．台风、强风暴危害及防护

单机使用的风力发电机及风力发电场的风力发电机都应注意防止台风、强风暴对风力发电机的袭击，尤其沿海或沿海岛屿更要注意。在台风、强风暴未到来之前应采取安全措施，比如刹车停机，对塔架临时打拉线加固，对叶片用绳索回固等，以防塔架被刮弯、刮倒或叶片被吹弯、吹断，造成损失或破坏。

4．风雪危害及防护

在我国东北、华北、西北陆地型风能资源区发电机应防止风雪对风力发电机的袭击。在这一区域的秋冬之交、冬春之交，常发生先雨后雪的天气，风力发电机的叶片被冰雪堆积，不仅加重叶片重量，还会因叶片积雪的不同致使叶片重量不平衡，使叶片转动时引起强烈振动。因此遇到风雪的袭击时，应及时刹车停机。待风雪过后清理叶片上的积雪和清除转盘周围冰雪之后再让风力发电机组运行。

5．沙尘暴的危害及防护

由于生态环境遭到破坏，每当春天干旱季节，西北大风会卷起黄沙、尘土。这些黄沙、尘土大都以风速吹向风力发电机。遇到沙尘暴天气时，应立即停机，否则会急剧加速叶片的磨损:由于风力发电机的转动，各转动轴的油封都将被吹入细沙尘，不仅加速了轴的磨损，还会破坏油封的密封性，使其漏油。经过一次沙尘暴，就不得不停机更换油封。

沙尘暴过后，还要对风力发电机进行一次沙尘的清理。沙尘暴过后，外部防锈漆会被打掉，应进行涂漆处理。

6．日照的影响及防护

发电机位于室外高空狭小而封闭的机舱内，通风条件较差。而电机又应是密闭结构，靠电机的外壳散热，因此风力发电机的散热条件比通常使用情况下的条件较差。在日照时间长、辐射强，太阳直晒机舱外壳的地区，机舱内空气温度很高。所以，需要对发电机耐高温的绝缘等级予以必要的考虑，应该选用较高等级的绝缘材料。

7．空气湿度的影响及防护

发电机位于室外高空的机舱内，虽然机舱是封闭的，但并不十分严密，机舱外的风雨、雾、沙等仍有进入机舱的可能。气候变化迅速、雨季明显的地区，机舱经常处在云雾之中，舱内湿度很大，因此也要求有耐湿热性较好的绝缘材料。

8．风力发电机的防腐蚀

由于地球上以煤、重油为燃料的火电厂，冬季采暖的锅炉，汽车等都在向大气中排放二氧化硫、二氧化碳和烟尘。二氧化硫与水蒸气结合，在下雨时形成酸雨，对裸露的风力发电机造成严重的腐蚀，所以风力发电机应定期地进行防锈涂漆处理，以保证安全运行。在沿海和海岛上安装的风力发电机除受酸雨的腐蚀外，还要受到含盐空气的侵蚀，所以防腐蚀处理更为重要。

9．风力发电机组在运行时防止鸟类的伤害

风力发电机组在运转时叶尖的线速度很高，尤其大功率风力发电机组，叶片扫掠面积较大，飞鸟易于撞在叶片上。飞鸟撞在转动的叶片上会使叶片弯曲，发生事故。