風力發電機的雷電繞擊分析與防護

高金芳

【摘要】風力發電因其清潔無污染、可永續利用等特點，對于調整我國能源結構、加強資源節約利用、促進生態環境保護、推進經濟可持續發展意義重大。我國幅員遼闊，風能資源豐富，發展風力發電優勢得天獨厚。為了能保障風機發電系統在一個可靠的環境下安全運行，對風機采取相應的雷擊保護措施是不可避免的。對此，本文針對風力發電機雷擊及其防護進行了研究，以雷擊風機槳葉暫態特性仿真分析為案例，提出了防雷整改措施，希望為雷擊事故應對和處理提供參考。

【關鍵詞】風力發電機；雷電繞擊；防護

風力發電是將風能進行較為直接地開發利用，風電場一般建立在山頂、荒漠、灘涂等自然地理環境復雜且容易受到雷電災害影響的地方，雷擊事故時有發生，風力發電的蓬勃發展正在受到日益嚴重的雷電災害的威脅。國內外相關案例都表明雷擊是嚴重威脅風力發電場安全的主要問題之一。雷電擊中風機后，雷電流將會對風機葉片等結構造成嚴重破壞，導致高昂的經濟損失，如維修費用、人工成本和停運損失等。為避免雷擊事故中雷電流對風機的損害，風電場的雷擊防護至關重要。

一、雷電放電概述

雷電具有非常強大的爆發力，也具有很大的隨機性，雷電的放電主要是雷云和雷云之間或者雷云內部進行的，其中雷云放電是在某些適當的地理和氣象條件下，由于比較強烈的潮濕熱氣流不斷上升進入稀薄大氣層后冷凝的結果。雷云對地放電是從下行先導放電階段開始的。如今的風電機組容量已經從幾百千瓦擴大到兆瓦級的，高度也已經達到了一百多米，屬于高體結構，其雷云在下行先導通道中負電荷的感應作用下，風電機組會出現感應正電荷。當下行先導頭部接近機組時，風機的葉片尖端部分會發生畸變作用，伴隨著電場強度快速擴大，附近的大部分空氣產生游離，就會發生上行先導。其中上升放電先導是分布正電荷，向上的速度是（0.05～1.2）×106m/s。接著上升先導和下升先導在空氣中會合之處就產生了回擊放電，于是風機就遭受了雷擊，會合之處就是雷擊點。

二、繞擊模型

目前較為常用的繞擊分析模型包括經典電氣幾何模型和Eriksson提出的改進電氣幾何模型。電氣幾何模型在分析輸電線路屏蔽失效的方面獲取了較好的效果。電氣幾何模型是基于擊距概念，擊距是將線路引雷能力與雷電流幅值聯系在一起。在電氣幾何模型的基礎上，相關的學者又通過完善提出了引雷空間法開展線路防雷保護的分析。引雷空間法中的非常重要的一個概念是吸引半徑，具體說的是引雷的結構物包含一定的雷電吸引范圍，一旦雷電下行先導進入吸引半徑區域內，結構物會產生迎面先導從而攔截下行先導，否則雷電先導擊中地面。吸引半徑較擊距更能看出建筑產生的上行先導所產生的雷擊影響。

三、雷擊風機槳葉暫態特性仿真分析

由于風機高聳的結構和槳葉頂端突出的特點，風機槳葉是比較容易遭到雷擊的部位之一，而又因槳葉通常處于旋轉狀態，受雷擊后，其雷電流泄放通道更難形成，所以槳葉也很容易擊壞。可以把整張葉片看成一條傳輸線，并且等值成一個RLC電路，選取的葉片仿真模型在工程中實際長度為60m。在ATPdraw仿真電路中，把葉片依次從上往下等分成A、B、C三段，雷電流從槳葉的頂部注入，在每相隔的RLC電路中添加節點電壓測量儀，設置每段20m的單相分布傳輸線。

為更接近實際風機情況，對風機進行模擬計算時，選取風機的部分參數為：整機總體直徑是130m，塔體高80米，葉片長度為60m，葉根弦長4m。設雷電流波形為我國電力行業規定采用的2.6/50μs，且在仿真軟件中參數設置幅值為100kA，波頭時間為4E-6，半波時間為5E-5。在ATPdraw仿真軟件中，設定仿真參數后，進行仿真。

另外，雷電流沿殼體內部路徑傳導時常會出現電弧，弧道附近的殼體材料，同時高溫可能高達幾千度，這樣高的溫度會嚴重燒損弧道附近的殼體材料，同時高溫也會在殼體內部產生高壓力的沖擊波，對槳葉殼體產生機械損傷，這種損傷連同電弧通道高溫的燒灼作用，常使受雷擊后的槳葉出現裂痕。

四、風電場防雷整改措施

（一）風機基座基礎與箱變設備防雷接地系統設計

風機基座基礎與箱變設備防雷接地要依據風機的所在的地理環境、土壤電阻率、雷電災害發生的頻率等條件，并根據IEC61400-24-2010等的相關規范和要求來設計。

風力發電機組的接地系統不僅是風機與箱變的防雷接地，同時也是系統接地（防靜電接地）、保護接地和工作接地。首先，要利用風力發電機基座基礎接地裝置當作自然接地體，其次，依據現場的實際情況和土壤電阻率在風機基礎接地體外進行敷設，接地銅引線穿過基座時與基座里的鋼筋有效的連接，并與箱變設備的接地連接在一起，將風機基礎內的接地和基礎外接地網聯系構成完整的接地體。最后，埋設垂直接地體以及外延接地體當作擴散雷電流的人工接地網，通過利用厚度不小于4mm的熱鍍鋅扁鐵，且埋地的深度不小于80cm，以符合接地電阻阻值小于4Ω的要求。

結合風電場的實際現場環境，通過利用半球接地原理，在風機基礎外延一定數量的水平接地體，并在外延水平接地體上均勻地布設相應數量的接地高效降阻產品DK-AG/Fb防腐電解地極，利用電解質向地表深層和四周的泄放，可使導電率極差的地質結構，形成一個很好的導電通道，大大降低接地電阻。

五、結束語

綜上所述，在風電機組設備損壞當中，葉片的損壞對發電量的影響最大，所需要的維修費用最多，維修工藝也最復雜。嚴重的雷擊葉片事故甚至可能導致整臺風電機組報廢。而風機的雷擊特性又和葉片密切相關，因此葉片的防雷是風電機組防護的重點和難點。針對雷電對風機葉片的致災機理和防護技術還需要不斷開展深入研究，從而促進風電行業的發展。

參考文獻

[1]劉健.大型風機葉片雷擊特性分析[D].南京：南京信息工程大學，2017.

[2]王瑞峰.風機雷電監測及雷擊暫態特性研究[D].上海：上海電機學院，2017.