对策减少雷电对风力发电机组的危害

风能是当前技术最成熟、最具备规模开发条件的可再生洁净能源。风能发电为人与自然和谐发展提供了基础。由于风力发电机组是在自然环境下工作，不可避免的会受到自然灾害的影响。由于现代科学技术的迅猛发展，风力发电机组的单机容量越来越大，为了吸收更多能量，轮毂高度和叶轮直径随着增高，相对的也增加了被雷击的风险，雷击成了自然界中对风力发电机组安全运行危害最大的一种灾害。雷电释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等。我国沿海地区地形复杂，雷暴日较多，应充分重视雷击给风力风电机组和运行人员带来的巨大威胁。例如，红海湾风电场建成投产至今发生了多次雷击事件，据统计，叶片被击中率达4%，其他通讯电器元件被击中率更高达20%。

　　为了降低自然灾害带来的损失，必须充分了解它，并做出有针对性的防范措施。笔者作为风电第一线工作人员，根据自己在现场运行工作中积累的第一手资料结合国内外风电场运行的经验教训以及风电行业最新发展情况，整理出本文与同行们共同学习、共同进步为推动我国风力发电事业蓬勃发展尽一份力!

　　1雷电的形成

　　空中的尘埃、冰晶等物质在大气运动中剧烈摩擦生电以及云块切割磁力线，在云层上下层分别形成了带正负电荷的带电中心，运动过程中当异性带电中心之间的空气被其强大的电场击穿时，就形成放电。对风电场运行带来危害的主要是云地放电，带负电荷的云层向下靠近地面时，地面的凸出物、金属等会被感应出正电荷，随着电场的逐步增强，雷云向下形成下行先导，地面的物体形成向上闪流，云和大地之间的电位差达到一定程度(25—30kV/cm)时，即发生猛烈对地放电。

　　2、雷电的主要特点

　　(1)冲击电流大：其电流高达几万-几十万安培;

　　(2)时间短：雷击分为三个阶段，即先导放电、主放电、余光放电，整个过程一般不会超过60微秒;

　　(3)雷电流变化梯度大：雷电流变化梯度大，有的可达10千安/微秒;

　　(4)冲击电压高强大的电流产生的交变磁场，其感应电压可高达上亿伏。通常雷击有三种形式，直击雷、感应雷、球形雷。

　　3、雷电的破坏

　　设备遭雷击受损通常有四种情况，一是直接遭受雷击而损坏;二是雷电脉冲沿着与设备相连的信号线、电源线或其他金属管线侵入使设备受损;三是设备接地体在雷击时产生瞬间高电位形成地电位“反击”而损坏;四是设备安装的方法或安装位置不当，受雷电在空间分布的电场、磁场影响而损坏。

　　由于风力发电机组的叶片高度较高，叶片成了最易受直接雷击的部件(如图一)，其他部件遭感应雷和球形雷破坏的风险也相应增加(如图二)。叶片是风力发电机组最昂贵的部件之一，大部分雷击事故只损坏叶片的叶尖部分，少量的毁损坏整个叶片。雷击造成叶片损坏主要有两个方面：一方面是雷电击中叶尖后，释放大量能量，强大的雷电流使叶尖结构内部的温度急骤升高，水分受热汽化膨胀，从而产生很大的机械力，造成叶尖结构爆裂破坏，严重时使整个叶片开裂。另一方面雷击造成的巨大声波，对叶片结构造成冲击破坏。还有一点值得关注的是雷击一般是击中叶片上翼面。
　
1.2 变桨距控制 为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证 低噪音发电机组输出功率平稳，风力机可进行桨距调整。叶片不是固定在风轮轮毅上，在定桨距基础上加装桨距调节环节，使桨叶可绕自身轴转动，称为变桨距风力机组。比较来看，定桨距失速控制风力机机构简单，部件少，造价低，并具有较高的安全系数，利于市场竞争。但失速型叶片本身结构复杂，成型工艺难度也较大，随着功率增加，叶片加长，所承受的气动推力增大，叶片的失速动态特性不易控制，使制造更大机组受到限制。变桨距型风力机在各种工况下(起动、正常运转、停机)可按最佳参数运行，使输出功率曲线得到优化，可使桨叶和整机的受力状况大为改善，还可以使 汽油发电机在额定风速以下的工作区段有较高的发电量，而在额定风速以上高风速区段不超载，不需要过载能力大的发动机，当然它的缺点是需要有一套比较复杂的变距调节机构。
3 变桨距系统驱动方案
目前，国内外已投入使用的 家用发电机的变桨距系统主要有两种驱动方案，一是液压驱动，另一是电机驱动。液压驱动变桨距系统具有响应快、扭矩大、运行平稳、可与偏航、制动等系统共用油源便于集成化布置等优点，多用于 低噪音柴油发电机组的统一变桨距结构，其主要缺点是油液的泄漏问题。电机驱动变桨距系统具有结构简单、无泄漏等优点，便于实现独立变桨距控制，其主要缺点是随着机组容量的增大，电机惯量也增大，使动态响应特性变坏，而且频繁的调节桨叶，容易使电机因过热损坏。