風力發電系統雷電綜合防護設計方案

高鵬　沙莎

摘 要 風力發電作為一種新型能源，正在受到越來越多的應用。而與風力發電機運行直接相關的防雷問題也就十分突出了。本文闡述了風力發電系統雷電綜合防護的具體要求，并給出相對的綜合防護設計方案和一些看法，這對風力發電系統的防雷工作有著重要的現實意義。

【關鍵詞】風電 風險評估 接地

1 風電防雷概述

風電機組安裝數量的增多以及高度的增加使得雷擊破壞發生率比預期的有所擴大，維修費用已達到不可接受的水平。與這些設施不同，風電機組因其實際尺寸和性質上的特點，風電機組有兩個或三個直徑達百米以上的葉片，葉片在地面之上百米處旋轉。

2 設計思想及指導原則

嚴格按照國家法律法規以及防雷規范的規定該工程的重要性、特殊性、所處地區的雷暴日出發，遵循安全可靠、技術先進、經濟合理的原則，進行全面綜合系統的防護。

3 數據勘測及結論

3.1 環境狀況

內蒙古突泉九龍風電場位于內蒙古自治區興安盟突泉縣境內，風電場場址位于突泉縣東北約30km處。場址處為地勢起伏平緩的山丘地帶，本期工程規劃場區內，形地貌屬低緩丘陵區，山脊走向近似呈南北向，中部有幾處平緩的山丘，在場區范圍內地勢逐漸升高。

3.2 勘測結論

按照《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010：“國家級計算中心、國際通訊樞紐等對國民經濟有重要意義且裝有大量電子設備的建筑物”規定，內蒙古突泉九龍風電場為第二類防雷建筑物。

4 雷電環境評估

4.1 雷暴日分區

經資料查詢內蒙古突泉九龍得該區Td=31.4d/a，此值介于20～40之間所以確定該建筑物位于多雷區。

4.2 評估風電機組雷擊頻率

雷擊風險分析的第一步是評估雷擊頻率。IEC 61024-1-1標準對如何估計雷擊頻率給出指導意見。在評定一建筑物的受雷擊頻率時，有必要收集局部地面落雷密度（Ng）的詳細信息。國家組織機構可能能提供這樣的信息。若無法獲得地面落雷密度，可使用以下關系式估計：

Nd=Ng×Ad×Cd×10-6 （1）

式中：Nd ：表示建筑物直擊雷年平均數；Ng ：表示地面落雷密度年平均數；Ad ：表示建筑物直擊雷等值受雷面積；Cd：是環境系數。當風電機組位于平地時，Cd：大約為1，位于山地或小丘時，Cd：大約為2。

4.3 IEC61024-1-1標準

IEC 61024-1-1規定嚴重事件年容許數量（Nc）必須大于或等于建筑物直擊雷年平均數量（Nd）與1減去防雷保護系統效率的差（1-E）的乘積.

Nc ≥Nd × （1-E） （2）

式中，E 表示防雷保護系統效率；Nd 表示建筑物直擊雷年平均數；Nc 表示嚴重事件的年容許數量；

E ≥1-Nc/Nd （3）

所需要的防雷保護系統效率即求得。

E ≥1–Nc/Nd，E ≥（1–10-3/0.046） × 100% （4）

E ≥97.8%

即該地點需要的防雷保護系統效率為97.8%，根據規定需安裝B級防雷保護系統。

5 設計方案

5.1 接閃器

利用風電機組葉片作為接閃器，接閃器將雷電流引入并且能夠傳導全部的雷電流；另外，接閃器必須具備一定尺寸以便牢固地固定在葉片表面，鋁的橫截面為70mm2；機艙頂端敷設一圈環形的避雷帶；在機艙蓋后緣安裝避雷針，避雷針高1.5m與避雷帶相互連接。

5.2 引下線

利用風電機組葉片中金屬網格、鋼絲及電機組葉片的邊角作為引下線，起引下線作用的葉片表面金屬導體必須有足夠斷面才能經受住直擊雷，并傳導全部的雷電流。內部引下線系統：導體放置在葉片表面是將雷電導體放置在葉片內部。導體的金屬固定裝置穿過葉片表面起離散的雷電接閃器作用。目前生產的許多葉片使用這種防雷保護系統，離散的雷電接閃器安裝在葉片尖端。內部引下線系統將雷電流從位于葉尖的接閃器引到葉片根部；在由葉片根部與塔桶內部圓鋼引下Φ25mm線相互連接。

5.3 雷電波侵入

5.3.1 電力電纜

風力發電機組電力電纜線路上應穿金屬管道敷設，在進入風機機組與工作接地連接，進入箱變處裝電源浪涌保護器接地端直接接于設備的金屬外殼上一并接至等電位接地端子板上；風機機艙內部有輪轂與箱變電纜線需進行連接，在連接方式應穿鋼管敷設，這樣減少了雷電波侵入對設備造成危害，同時在與風力發電機組保持電氣連通。

5.3.2 信號電纜

風力發電信號線路纜線路上應穿金屬管道敷設，在進入風機機組與工作接地連接，進入箱變處裝信號浪涌保護器接地端直接接于設備的金屬外殼上一并接至等電位接地端子板上；有箱變引入塔筒時需埋地穿鋼管進入，做為屏蔽措施；同時光纖傳輸保持光纖芯處進行良好接地一次。

5.3.3 等電位連接

以敷設風機基礎的一圈水平接地體作為總等電位接地端子板，以及在箱變基礎的一圈水平接地體作總等電位連接端子板，最后風機與箱變采用熱鍍鋅扁鋼相互連接，設置在風機塔筒內部子上，材料均為銅制并相互連接。采用多股絕緣銅導線從箱變處等電位接地端子板引至風機基礎預留的等電位連接。在臨近的兩個控制箱處采用熱鍍鋅扁鋼60*6相互連接，這些等電位連接可在雷擊時提供接觸電壓與跨步電壓防護。

5.4 屏蔽

機艙應設計為一個封閉的金屬屏蔽體。在機艙內，相對于外部它的電磁場應得到極大的衰減。機艙中的，以及可能存在于在操作間中的開關柜和控制柜，都應由金屬制成。與其相連接的電纜也應配備相應的外部連接和屏蔽，并具有雷電流承載能力。此例給出了當電纜以距離變速箱或發電機，近30mm方式布線時的預期電壓幅值。這個電流很大，di/dt值也很高，但電纜保護層與管道的保護效果明顯。

作者單位

1.蘭州資源環境職業技術學院氣象系 甘肅省蘭州市 730000

2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所 甘肅省蘭州市 730020