風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷接地的探討

楊松

（中國(guó)大唐集團(tuán)科技工程有限公司，北京 100097）

風(fēng)能清潔的可再生能源,如何開發(fā)與利用好風(fēng)能資源是能源可持續(xù)發(fā)展的重中之重。有助于降低全球二氧化碳等溫室氣體的排放，改善我們賴以生存的自然環(huán)境。

1 風(fēng)電機(jī)組的雷害性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔位往往多布置在例如海岸、丘陵、山脊，曠野平原等空曠地區(qū)，暴露于雷擊之中。且本身高度在120m以上，屬高大建筑物。對(duì)于高度超過60m的高大建筑物會(huì)發(fā)生側(cè)擊，即部分雷電繞過建筑物頂部裝置的接閃器，擊中建筑物側(cè)面。從雷電概念分析，與上行雷相關(guān)的起始連續(xù)電流轉(zhuǎn)移的電荷量很高，可以高達(dá)300C。上行雷對(duì)建筑物的損壞程度的比例，隨著建筑物的高度增加而加大，當(dāng)風(fēng)機(jī)塔身高度超過100m時(shí)，受到上行雷擊的概率較高。而風(fēng)電機(jī)組分布在空曠平坦（或山地、山脊頂端）的位置，并且周圍缺少高大物體配合防雷，缺少有效的防雷設(shè)施，發(fā)生雷擊時(shí)，更能吸引雷電。風(fēng)機(jī)本身就猶如一座天然的引雷塔。

在IEC 62305-1中，根據(jù)構(gòu)筑物預(yù)期的雷擊電流大小，將雷電防護(hù)水平分為表1所示的幾類。

?

圖1 滾球法在風(fēng)電機(jī)組中的應(yīng)用

圖1中，滾球覆蓋以外的地區(qū)為IEC 61400-24標(biāo)準(zhǔn)中劃定的LPZ0A區(qū)。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷措施

相關(guān)規(guī)程規(guī)定，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組部件按照Ⅰ類防護(hù)水平設(shè)計(jì)防雷措施。由于各地區(qū)雷電環(huán)境的不同，應(yīng)依據(jù)使用地區(qū)和規(guī)定防護(hù)要求而確定。雷擊產(chǎn)生的大量電荷將對(duì)風(fēng)機(jī)材料的選擇以及日后運(yùn)行維修更換，起到重要的考核基準(zhǔn)。增加易損件對(duì)雷電產(chǎn)生大量電能及熱能的耐受能力，部件之間連接的可靠性，如何提高風(fēng)電機(jī)組的使用壽命，有效抵御雷擊所造成的磨損和破裂所帶來的損失是未來相關(guān)研究的關(guān)鍵。

（1）葉片防雷。據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)，世界每年有1%～2%的風(fēng)機(jī)葉片遭受雷擊。目前風(fēng)電機(jī)組的葉片外形的幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因機(jī)組不同，葉片長(zhǎng)度不同，且長(zhǎng)度超過50m已成為主流趨勢(shì)。葉片材質(zhì)多由導(dǎo)電性能較差的增強(qiáng)型纖維復(fù)合材料制成，同時(shí)安裝在高度超過80m的機(jī)塔上，直接暴露在直擊雷下，因此它的防雷比IEC 62305-3 所要求的建筑物要復(fù)雜。

在設(shè)計(jì)葉片時(shí)，要考慮葉片在遭到直擊雷時(shí)，葉片葉尖接閃器在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)要如何才能購(gòu)準(zhǔn)確地接閃。相關(guān)設(shè)備傳導(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。

（2）其他輔助設(shè)備。風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙和其他設(shè)備（如輪轂、塔架），設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮雷擊接閃能力，接閃器的選擇上，應(yīng)選擇導(dǎo)電性較好、表面積較大的的金屬構(gòu)件。再將金屬構(gòu)件相互連接達(dá)到等電位，滿足能將雷電流快速分散并傳導(dǎo)到接地系統(tǒng)的目的。機(jī)艙外部安裝的氣象及側(cè)風(fēng)等儀表、航空障礙照明指示燈等外部設(shè)備，避雷針、引下線以及搭接線的安裝尺寸要滿足IEC62305-3的要求。也可以直接參考IEC62305標(biāo)準(zhǔn)所描述的方法進(jìn)行安裝制作。

圖2 雷電防護(hù)區(qū) IEC 61400-24標(biāo)準(zhǔn)

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的接地措施

接地系統(tǒng)是做為快速分散消潰雷電流和防止風(fēng)電機(jī)組因雷擊而損壞的有效措施，亦可用來保護(hù)地面及維護(hù)人員免受雷擊。雷電流通過風(fēng)機(jī)本身的防雷引下裝置進(jìn)入接地裝置，散流于大地，較好的接地系統(tǒng)是能夠保證雷擊過程中風(fēng)電機(jī)組安全的必備措施。

較為常規(guī)的為水平與垂直接地導(dǎo)體，水平接地體多采用-60×6熱鍍鋅扁鋼（不同風(fēng)場(chǎng)應(yīng)結(jié)合地勘報(bào)告實(shí)際考慮），若考慮沿集電線路路徑方向，逐臺(tái)風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)和風(fēng)場(chǎng)整個(gè)接地系統(tǒng)連為一體，形成整個(gè)風(fēng)場(chǎng)綜合接地網(wǎng)。整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的接地電阻將大大降低，減少了風(fēng)電場(chǎng)中分散各處構(gòu)筑物間的電位差。但此方法直接導(dǎo)致工程造價(jià)偏高，且受施工場(chǎng)地影響較大。垂直接地體多采用φ50mm L=2500mm的銅棒（或熱鍍鋅鋼棒），同樣受到工程地質(zhì)、施工場(chǎng)地等因素影響，垂直接地體在施工時(shí)會(huì)使工程難度大為增加。故應(yīng)結(jié)合工程項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)行設(shè)計(jì)，選取最優(yōu)接地方案。

表2 接地極類型的適用場(chǎng)所

根據(jù)相關(guān)的規(guī)程要求，風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)的工作接地，保護(hù)及防雷接地，其工頻接地電阻值按主機(jī)廠家的設(shè)計(jì)生產(chǎn)要求小于4Ω,沖擊接地電阻需小于10Ω。如果風(fēng)電機(jī)所處位置的土壤電阻率較高, 按照一般電氣設(shè)備的接地方式，設(shè)計(jì)的接地系統(tǒng)明顯不能滿足其安全要求，必須采用高效、可靠的接地降阻材料和優(yōu)化的解決方案。

例如：四川某風(fēng)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)勘土壤電阻率按照1000Ω.m左右，且土壤電阻率表層低，越往深處電阻率越高，故不適宜采用深井接地以及多層接地；雷擊時(shí)，不光是接地系統(tǒng)的電阻特別重要，而且其電感也非常重要。因?yàn)槔纂娏靼S多高頻成分，它們與接地系統(tǒng)相互作用產(chǎn)生很高的瞬態(tài)阻抗。

一般的接地裝置，大多采用普通型碳素鋼材，而為減緩腐蝕速度，多采用熱鍍鋅工藝技術(shù)，將除銹后的鋼件浸入500℃左右融化的鋅液中，使鋼構(gòu)件表面附著鋅層，從而起到防腐的目的。本工程也采用熱鍍鋅鋼材做為接地材料。按照本工程招標(biāo)文件的要求，水平接地體選用-60×6熱鍍鋅扁鋼，用于降阻的材料，同樣采用熱鍍鋅鋼材。

故而本工程考慮采用具有離子補(bǔ)償功能的接地裝置，通過向大地不斷補(bǔ)充離子，逐步改善土壤本身的導(dǎo)電性，減少接地極與大地的接觸電阻值，達(dá)到降阻分流的效果。同時(shí)接地電阻隨季節(jié)變化影響較小，而使用新型復(fù)合回填料，靠電子導(dǎo)電，電極單元還將向周圍土壤中不斷釋放導(dǎo)電離子，達(dá)到逐步改善接地體周圍的土壤電阻率的目的。后充分利用場(chǎng)地內(nèi)土壤電阻率較低的表層土區(qū)域，采用水平接地方式為主，垂直接地為輔，降阻亦考慮在水平接地體上處理。為保證接地效果，減少施工量，采用具有離子補(bǔ)償功能的接地裝置，通過不斷向大地補(bǔ)充離子，改善土壤導(dǎo)電性?；靥钔脸浞掷檬┕がF(xiàn)場(chǎng)表層粘土，減小接地極與大地的接觸電阻。

結(jié)合離子補(bǔ)償功能的接地裝置，同時(shí)加入復(fù)合型回填料，可使接地系統(tǒng)更加安全、可靠。但該方案的總體造價(jià)卻高于以往工程所用的接地方案，如可以和常規(guī)接地材料的價(jià)格接近，也不妨是一種高效的接地措施。

隨著新技術(shù)新產(chǎn)品的不斷應(yīng)用，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的防雷與接地保護(hù)日漸完善，未來風(fēng)電場(chǎng)日常運(yùn)行安全也將大大提高。