摘要：由于風力發(fā)電具有清潔無污染、可持續(xù)利用等方面的特點，在我國能源結構調整、節(jié)約利用資源、促進生態(tài)環(huán)境保護和推進經濟可持續(xù)發(fā)展方面的作用巨大。隨著全球風力發(fā)電產業(yè)規(guī)模的持續(xù)擴張，風力發(fā)電機組因雷擊引發(fā)的故障問題逐年增加，且以雷電繞擊引發(fā)的設備損壞和經濟損失尤為顯著。基于此，本文結合雷電繞擊原理，分析了風力發(fā)電機雷電繞擊原因及危害，同時提出了幾點科學有效的雷電繞擊防護措施，以期提升風力發(fā)電機的雷電防護水平，確保風力發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。
1、引言
在全球能源轉型和碳中和推進的過程中，作為清潔能源的主力軍，風力發(fā)電迎來了蓬勃發(fā)展。近年來，全球風電裝機容量高速增長，我國更是走在行業(yè)前列，2023年新增裝機容量占全球40%以上，風力發(fā)電現(xiàn)已成為能源供應體系的重要支撐。由于風力發(fā)電機組矗立在空曠地帶，且輪轂高度在百米以上，而葉片長度達到了80米左右，這種高聳結構很容易成為雷電襲擊的對象。有統(tǒng)計顯示表明，約80%左右的風機每年至少遭受一次雷擊，且以雷電繞擊最為棘手，其引發(fā)的事故占比還在逐年增加。雷電繞擊是指雷電繞過風機接閃位置，擊中葉片、電氣系統(tǒng)等關鍵部位的特殊雷擊現(xiàn)象，因隨機性強、隱蔽性高，很難通過常規(guī)手段進行防御，強大的雷電流會在瞬間釋放強大能量，使得葉片內部溫度驟然升高，進而出現(xiàn)爆裂、穿孔甚至斷裂的風險。同時，雷電流產生的電磁脈沖還會對電氣和控制系統(tǒng)產生影響，使得機組停機、數(shù)據(jù)丟失，甚至是引發(fā)火災爆炸事故，并造成巨大的經濟損失，不僅影響風電項目收益，還在一定程度上削弱了公眾對風電可靠性的信息。因此，全面分析風力發(fā)電機的雷電繞擊影響因素及危害，并探索科學有效的防護措施，對保障風電安全、加快能源轉型具有十分重要的作用。
2、雷電繞擊原理
雷電的形成是大氣云層中積累的電荷，一旦電場強度達到一定數(shù)值時，會有極為強烈的放電現(xiàn)象。在雷電放電中，雷電先導會逐漸朝著地面發(fā)展，在接近地面后，會結合四周物體電場分布狀況選擇合適的放電通道。傳統(tǒng)觀念中，接閃器可吸引雷電，進而向大地中泄放雷電流，以保護設備。在實際情況中，因風力發(fā)電機特殊的結構和復雜的大氣環(huán)境，雷電先導可能不會根據(jù)預期路徑被接閃器吸引，而是繞過接閃器擊中風力發(fā)電機的其他部位，該現(xiàn)象就被稱之為雷電繞擊。結合電場分布情況，風力發(fā)電機葉片旋轉中會改變周邊電場分布情況。在雷電先導接近時，葉片尖端、機艙等部位的電場強度會發(fā)生變化，使得雷電先導偏離接閃器吸引范圍，雷電繞擊風險隨之增大。另外，大氣中的氣流、濕度等也會影響雷電先導發(fā)展路徑，雷電繞擊的不確定性加劇。
3、風力發(fā)電機雷電繞擊原因
3.1自身結構
①葉片。實際上，風力發(fā)電機的葉片較長，且以復合材料為主，相較于金屬材料，該類型材料對雷電的吸引和傳導能力較弱。葉片在旋轉中會改變表面電場分布，使得雷電更容易繞擊葉片。另外，葉片形狀和表面粗糙度也會對電場分布產生影響，雷電繞擊出現(xiàn)的概率隨之增加。②機艙。機艙是風力發(fā)電機的核心部件，內部包含有各種類型的電氣設備和控制系統(tǒng)。機艙中的高度和尺寸較大，在雷電先導發(fā)展中，頂部和側面電場強度數(shù)值較大，極易成為雷電繞擊目標。機艙內的電氣設備對雷電過電壓反應較為敏感，當遭受雷電繞擊后，可能會損壞設備，不利于風力發(fā)電機正常工作。
3.2環(huán)境因素
通常情況下，風力發(fā)電場往往分布在高山、沿海等地，由于這些地區(qū)的地貌地形條件復雜，大氣電場分布極不均勻，雷電出現(xiàn)頻率和強度均較高，使得風力發(fā)電機遭受雷電繞擊的概率大幅度增大。如，在山區(qū)，雷電可能沿著山脊發(fā)展，在繞過接閃器后很容易擊中風力發(fā)電機；沿海地區(qū)，因海洋氣候的影響，該地空氣濕度偏高，雷電活動劇烈，出現(xiàn)雷電繞擊的風險增大。
3.3接閃器設計因素
接閃器設計是否合理直接關系到對雷電的吸引效果。若是接閃器高度不足、數(shù)量較少或布設不合理，就很難吸引雷電，風力發(fā)電機出現(xiàn)雷電繞擊的概率增加。另外，接閃器與風力發(fā)電機其他部件間的電氣連接是否良好也極其重要。若是連接不良，會在雷電電流傳導中產生阻抗，雷電過電壓快速升高，設備極易受損。
4、風力發(fā)電機雷電繞擊危害
4.1核心部件受損
葉片是風力發(fā)電機產生風能的關鍵部位，雷電繞擊葉片時，強大的雷電流在葉片內部會有較高的溫度和壓力產生，使得葉片材料在瞬間被熔化、汽化，進而形成空洞、裂紋等損壞。與此同時，雷電流引發(fā)的電磁效應會在風力發(fā)電機葉片表面產生感應電荷，進而出現(xiàn)靜電放電，葉片受損程度不斷加劇。葉片損壞在對風力發(fā)電機發(fā)電效率產生影響的同時，還會造成葉片斷裂，引發(fā)安全事故。另外，繞擊產生的沖擊力會作用到輪轂、主軸和軸承等機械部件，雖然表面沒有明顯的破損，但內部金屬晶體結構會極易因高頻振動產生微裂紋。長此以往會造成軸承間隙增大、主軸同心度便宜，最終引發(fā)齒輪箱漏油、主軸卡死等故障。
4.2電氣系統(tǒng)連鎖故障
雷電流通過葉片接閃器接地后，在回路中會有瞬態(tài)過電壓產生，很容易擊穿發(fā)電機定子繞組的絕緣層，使得匝間出現(xiàn)短路。與此同時，控制室內的精密電子元件，如PLC控制器、變流器等對電磁干擾反應的較為敏感，繞擊產生的感應電動勢可瞬間燒毀電路板，使得飛機失去變槳控制能力，進而產生飛車事故。對于集電電纜來說，若是沒有將屏蔽接地措施做好，繞擊產生的雷電波將沿著電纜傳導，將會擊穿變壓器繞組匝間絕緣，油浸式變壓器可能會因內部電弧而出現(xiàn)爆炸事故，進而引發(fā)巨大的經濟損失。
4.3火災風險與電網擾動
因雷電中的熱效應會造成機艙內電氣設備溫度驟然升高，如電纜接頭處因電阻增大產生高溫，引燃絕緣材料和潤滑油。由于機艙空間較小且通風條件受限，一旦起火后，在短時間內火勢會逐漸朝整個設備蔓延，嚴重的情況下會燒毀整臺風機。風力發(fā)電機遭受繞擊后，定子繞組短路會有強大的沖擊電流產生，使得并網點電壓驟然下降，使得電網電壓出現(xiàn)暫時下降的情況。若是多個風機在同時間遭受雷擊，將會觸發(fā)電網繼電保護裝置動作，使得風力發(fā)電機周邊地區(qū)出現(xiàn)大范圍停電。
4.4停機損失
當風力發(fā)電機遭受雷電繞擊損壞后，需立即關停維修。維修期間包括多個環(huán)節(jié)，如檢修設備、更換零部件、調試系統(tǒng)等，耗時較長。在停機期間，風力發(fā)電機將不能正常發(fā)電，會造成巨大的經濟損失。根據(jù)估算，對大型風力發(fā)電機來說，一臺發(fā)電機停機一天，發(fā)電收益可能會損失數(shù)萬元。另外，若是頻繁的停機維修，會造成風力發(fā)電機使用壽命縮短，設備運行維護成本大幅度增加。
5、風力發(fā)電機雷電繞擊防護措施
5.1優(yōu)化接閃器設計
5.1.1布設提前放電避雷針
實際上，提前放電避雷針主要是利用內部的電子裝置或放射性元素確保雷電先導還沒有接近保護的物體時，主動產生向上的迎面先導。將其與傳統(tǒng)避雷針進行比對，該類型避雷針的接閃能力較強且保護范圍大。有關研究結果表明，在相同條件下，安裝提前放電避雷針的風力發(fā)電機，其雷電繞擊概率可降低 30%~50%作用。實際應用中，應結合風力發(fā)電機高度、當?shù)乩纂娀顒訁?shù)等因素，對提前放電避雷針的型號和安裝位置進行合理選擇。如，若是風力發(fā)電機高度在120m以上，可將多支提前放電避雷針安裝到風力發(fā)電機葉片尖端、機艙頂部等關鍵部位，以形成立體防護網絡。
5.1.2 接閃器布局優(yōu)化
由于風力發(fā)電機的結構較為復雜，選用傳統(tǒng)的單支接閃器很難完全覆蓋風力發(fā)電機的所有部件，因此需要采用多接閃器聯(lián)合防護的方案。通過建立雷電繞擊仿真模型，結合電氣幾何模型（EGM）和先導發(fā)展模型（LPM），可以對不同接閃器布局方案的防護效果進行評估和優(yōu)化。在葉片表面每間隔一定距離布設一個小型接閃器，并通過低阻抗引下線與機艙接地系統(tǒng)連接，可將葉片繞擊風險降低。另外，將環(huán)形接閃器布設到塔筒頂部，可對塔頂進行有效保護，進而減少雷電從塔筒側面繞擊風險。
5.2 加強電氣系統(tǒng)防護
5.2.1浪涌保護器的選型與配置
浪涌保護器是風力發(fā)電機電氣系統(tǒng)防雷的關鍵設備。根據(jù)安裝位置和防護需求的不同，可將浪涌保護器分為電源線路浪涌保護器、信號線路浪涌保護器和天饋線路浪涌保護器等類型。在電源線路中，通常采用三級防護配置：第一級浪涌保護器安裝在風力發(fā)電機變壓器的高壓側，用于泄放大部分雷電流；第二級浪涌保護器安裝在變壓器低壓側，進一步限制過電壓；第三級浪涌保護器安裝在各電氣設備的前端，保護敏感電子元件。在選型時，需根據(jù)線路的額定電壓、最大持續(xù)運行電壓、雷電流參數(shù)等確定浪涌保護器的標稱放電電流、最大放電電流、電壓保護水平等參數(shù)。
5.2.2 屏蔽與接地優(yōu)化
為了減少雷電電磁脈沖的感應耦合，需做好電氣線路的屏蔽處理。通過采取金屬鎧裝電纜或在電纜外套上金屬屏蔽管，并將屏蔽層兩端做好可靠接地，可將線路上的感應過電壓降到最低。與此同時，還要對接地系統(tǒng)不斷優(yōu)化，以減少接地電阻值，這是提升電氣系統(tǒng)防雷性能的重要舉措。通常情況下，風力發(fā)電機的接地系統(tǒng)以環(huán)形接地網為主，通過增加垂直接地極、使用降阻劑等方法，可將接地電阻降至4Ω以下。此外，將葉片、機艙、塔筒等部件的接地系統(tǒng)進行等電位連接，能夠避免地電位差對電氣設備造成損壞。
5.3 采用新型材料和技術
5.3.1導電納米涂層的應用
在風力發(fā)電機葉片表面涂覆導電納米涂層屬于新型的防雷技術。導電納米涂層主要由碳納米管、石墨烯等導電納米材料與基體樹脂復合而成，其導電性能和機械性能較強。一旦風力發(fā)電機葉片被雷電擊中，通過導電納米涂層能夠迅速將雷電流分散傳導，降低局部電流密度，減少葉片的熱損傷和機械損傷。實驗室測試表明，涂覆導電納米涂層的葉片模型，在遭受模擬雷電沖擊后，表面溫度升高幅度降低約 60%，內部應力峰值減小約 40%。目前，該技術已在部分海上風機葉片中試點應用，且取得了良好的防護效果。
5.3.2 智能監(jiān)測與主動防護技術
利用傳感器技術、物聯(lián)網技術和大數(shù)據(jù)分析技術，構建風力發(fā)電機雷電防護智能監(jiān)測系統(tǒng)，以實時監(jiān)測雷電活動、防雷系統(tǒng)和設備健康狀況。通過在風力發(fā)電機葉片、機艙、塔筒等位置安裝電場、電流及振動傳感器，并將采集到的雷電參數(shù)和設備運行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。一旦檢測到雷電活動，系統(tǒng)可對繞擊風險自動評估，同時結合提前設置的策略開展主動防護，如調整葉片角度、切斷非關鍵設備電源等。此外，通過對歷史數(shù)據(jù)的分析，還能提前預測防雷系統(tǒng)故障隱患，實現(xiàn)預防性維護，增強風力發(fā)電機的可靠性與安全性水平。
結論：
綜上所述，風力發(fā)電機的雷電繞擊問題對風力發(fā)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行的影響較大，通過深入分析雷電繞擊原理、影響因素及危害，提出了一系列行之有效的防護措施，以降低風力發(fā)電機雷電繞擊概率，減少設備損壞和經濟損失，提升風力發(fā)電機系統(tǒng)的安全性和可靠性水平。
作者：李萍 李利軒 劉洪波
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