風(fēng)力發(fā)電防雷，風(fēng)力發(fā)電怎樣防雷
1、引言
在我國風(fēng)電發(fā)展初期，風(fēng)電場大部分集中在年平均雷電日較少的新疆和內(nèi)蒙古等地區(qū)，采用的主要是450kW 級以下的風(fēng)電機組，雷害問題并不突出。隨著我國風(fēng)電場建設(shè)速度不斷加快、規(guī)模不斷擴大以及風(fēng)電機組的日益大型化，風(fēng)電機組的雷害也日益顯露?，F(xiàn)階段，我國風(fēng)電場開發(fā)不斷向高海拔和沿海地區(qū)拓展，大功率風(fēng)電機組的塔架zui高已經(jīng)超過120m，是風(fēng)電場中zui高大的構(gòu)筑物。在風(fēng)電機組的20年壽命期內(nèi)，難免會遭遇到雷電的直擊。中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會于2009 年9月在肇慶召開的葉片專業(yè)組年會，將葉片的防雷作為一個重要問題進行了研討，說明風(fēng)電機組防雷已經(jīng)引起專家的高度重視。
電工委員會（IEC）第88 工作委員會（IEC TC 88）在編制風(fēng)電機組系列標準IEC 61400 時，編制了一個技術(shù)報告（TR），作為IEC 61400 系列標準的第24 部分于2002 年6 月出版，其初衷是想為這個相對年經(jīng)的工業(yè)提供防雷知識。該標準在幾年的實踐中證明，技術(shù)報告對防止和減少風(fēng)電機組的雷害是有效的。但是隨著大型風(fēng)電機組的發(fā)展和風(fēng)電場向外海的拓展，雷害問題比2002 年以前更加復(fù)雜和突出。因此，有必要制訂一個風(fēng)電機組防雷標準以供風(fēng)電行業(yè)人員使用。將IEC 61400 由技術(shù)報告（TR）升級為技術(shù)標準（TS）便提上了議事日程。
2、 風(fēng)電機組各部件的防雷
新標準建議風(fēng)電機組采用IEC 62305-3 Physical Damageto Structures and Life Hazard（建筑物的物理損壞和生命危險）規(guī)定的防雷程序，所有的分部件都按照Ⅰ類防護水平設(shè)計防雷措施。
?。?）葉片
風(fēng)電機組的葉片幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長度超過60m，且由導(dǎo)電不良的增強型纖維復(fù)合材料制成，安裝在高度超過100m 的高塔上，垂直旋轉(zhuǎn)（水平軸風(fēng)電機組），并暴露在直擊雷下，因此它的防雷比IEC 62305-3 所說的建筑物要復(fù)雜。
IEC 62305 系列標準根據(jù)建筑物遭到雷擊的可能性和建筑物所處環(huán)境的雷電電磁脈沖強度將建筑物劃分為若干防雷區(qū)，圖3 是風(fēng)電機組的防護區(qū)示意圖。圖4 是滾球法用于風(fēng)電機組的示意圖。葉片是風(fēng)電機組中zui暴露的部分，用滾球法可以看到，葉片的大部分位置處于LPZ0A 區(qū)（圖4），并經(jīng)受全部電磁場和機械（壓力波）影響以及雷電流、電場、磁場和雷擊的能量。因此，葉片必須加以防護。對葉片的保護是否足夠，應(yīng)當看其設(shè)計和安置葉片接閃器系統(tǒng)后能否有效的截獲雷電，以及導(dǎo)流系統(tǒng)能否疏導(dǎo)與Ⅰ類防雷水平一致的雷電流（除非風(fēng)險分析證明表1 所示的LPL Ⅱ和LPL Ⅲ已經(jīng)足夠）。
圖5 防雷型復(fù)合材料葉片
雖然滾球法指出了雷電可能襲擊葉片表面的大部分地方，但現(xiàn)場經(jīng)驗證明大部分雷電還是擊中葉尖位置，只有少數(shù)擊中葉片的其他地方。新標準推斷IEC 62305-3 的接閃器保護范圍的計算方法（滾球法、保護角法等）并不*適用于風(fēng)電機組，所以還需大量的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場調(diào)查才能真正作出葉片雷害機理的解釋。新標準要求葉片制造商要在葉片設(shè)計室進行接閃系統(tǒng)和導(dǎo)流系統(tǒng)截獲雷電和傳導(dǎo)雷電流的能力的試驗。筆者認為我國是一個多雷的國家，各地雷害頻度和雷擊強烈程度有很大的差異。為了既能防雷，又能降低成本，需要按照不同的風(fēng)電場雷電環(huán)境，設(shè)計葉片并進行不同電流和電壓等級的試驗。
新標準*了如圖5 的防雷型葉片，要求設(shè)計葉片時要考慮葉片在遭到雷擊時，接閃器要準確地截獲雷閃，電氣傳導(dǎo)部件例如尖軸、炭纖維復(fù)合材料和葉片中傳感器導(dǎo)流線等必須有良好的傳導(dǎo)雷電流的功能。風(fēng)力發(fā)電防雷，風(fēng)力發(fā)電怎樣防雷
（2）機艙和其他構(gòu)件
風(fēng)電機組機艙和其他構(gòu)件（如輪轂、塔架），應(yīng)當有接閃能力，盡可能使用大的金屬構(gòu)件作接閃器。還要將金屬構(gòu)件做等電位連接，將雷電流傳導(dǎo)到接地系統(tǒng)。機艙上氣象儀表、航空燈等的避雷針、引下線以及搭接線的尺寸要滿足IEC62305-3的要求。
總之，機艙和其它構(gòu)件的防雷可以直接采用IEC62305 系列標準所描述的方法。按圖4 所示，風(fēng)電機組應(yīng)劃分為若干防雷區(qū)LPZ，設(shè)計人員應(yīng)計算雷電風(fēng)險水平，并根據(jù)等電位搭接、電磁屏蔽和采用SPD 等設(shè)計防雷系統(tǒng)。
新標準對機艙和其他構(gòu)件的防雷有詳細的規(guī)定。
?。?）機械驅(qū)動系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)
機械驅(qū)動系統(tǒng)的防雷非常重要，因為風(fēng)電機組的驅(qū)動系統(tǒng)有巨大的轉(zhuǎn)動軸承、傳動軸、齒輪、液壓和電氣執(zhí)行系統(tǒng)，在雷電擊中葉片時，它們都處于雷電流的徑路上，巨大的雷電流可以使其受到機械損壞。新標準建議機械驅(qū)動系統(tǒng)的所有部件都要經(jīng)受住雷電流或運動部件間的雷電弧而不受損害，例如，軸承和執(zhí)行機構(gòu)用滑動接觸器或火花間隙進行防護。這些部件設(shè)計成可以將雷電流從被保護部件上轉(zhuǎn)移或減少雷電流流經(jīng)部件的數(shù)值，直到該雷電流小到部件可以承受的水平。新標準要求這種防護系統(tǒng)的有效性可以用大電流試驗檢測，在試驗室時要根據(jù)實驗結(jié)果分析出有效的結(jié)論，并且應(yīng)當計算出易耗部件如滑動接觸器和間隙的壽命。
?。?）電氣系統(tǒng)、電子系統(tǒng)和系統(tǒng)安裝
風(fēng)電機組的電氣系統(tǒng)、電子系統(tǒng)和系統(tǒng)安裝應(yīng)當經(jīng)受住雷電電磁脈沖而不損壞。據(jù)雷害統(tǒng)計顯示，大多數(shù)雷害與風(fēng)電機組的電氣系統(tǒng)、電子系統(tǒng)有關(guān)。
新標準要求所提供的雷電電磁脈沖防護措施（LPMS）應(yīng)能消除或避免這些系統(tǒng)的雷害。這就要求利用IEC62305-4 的防護區(qū)的綜合防護概念采取以下措施：
——接地
——搭接
——電磁屏蔽和合理布線（系統(tǒng)安裝）
——能量協(xié)調(diào)一致的SPD
——隔離、電路設(shè)計、平衡電路、串聯(lián)阻抗等
總之，新標準參考了有關(guān)低壓電氣系統(tǒng)和安裝標準，包括機械設(shè)備高壓和低壓電氣系統(tǒng)標準IEC 60204-1、IEC 60204-11、建筑物電氣安裝標準IEC 60363、電磁兼容（EMC）安裝以及接地和布線指南，尤為重要的是以建筑物內(nèi)電氣電子設(shè)備防雷標準IEC 623050 － 4 為依據(jù)。
標準要求采用的SPD 和低壓系統(tǒng)與IEC 61643-1 一致、通信和信號系統(tǒng)與IEC 61643-21 一致，選擇和安裝時，應(yīng)當與IEC 60364-4-44、IEC 60364-5-53 一致，電源防護系統(tǒng)應(yīng)與IEC61643-12 一致，控制和通信系統(tǒng)防護應(yīng)與IEC 61643-22 一致。
新標準提供了如何保證SPD 協(xié)調(diào)一致、SPD 和被保護設(shè)備耐受能力協(xié)調(diào)一致的指南，并提供了檢驗設(shè)計和選擇SPD 是否合適的檢驗方法。
標準根據(jù)IEC 60099-4，建議除非進行了高壓絕緣配合研究并證明不必進行防護外，高壓電力系統(tǒng)的防護采用不含空氣間隙的金屬氧化物避雷器，并根據(jù)IEC6009-5 選擇使用。
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