論風電場雷電防護措施研究

王皓 胡軍

摘 ? 要：目前風力發電機組的高度可超過100m，受地理條件的限制，大多數風力發電機修建在沿海或地勢較高的地方，增加了遭受雷擊的風險。遭受雷擊之后的修理費用投入較大，已經超過了發電廠的承受范圍。要想維護風力發電機組的穩定性，應從降低雷擊災害對其的破壞性入手并進行防護研究。應針對發電機組周圍的環境狀況的不同，制定相應的防雷保護措施，才能有效維護電路的穩定運行。

關鍵詞：防雷保護 ?維護電路 ?風電機組

中圖分類號：P427 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（b）-0109-02

我國國土面積廣，風能資源十分豐富，風力發電機組可能處于各種各樣的環境下。近年來，我國致力于提高中東部和南方地區陸上風能資源的利用率發電機組周圍的環境不同，制定不同的防雷保護措施。

1 ?風電機組的雷擊風險分析

風電機組的外露部分包括葉片、輪轂、機艙、塔架等。葉片作為接收風能的裝置，位于整個機組的最高處，對于整個機組來說至關重要。輪轂的作用是固定葉片，葉片轉動產生動能，通過輪轂傳遞到機艙內部。機艙內有齒輪箱、發電機等核心設備，可以將動能轉化為電能供用戶使用。塔架支撐起葉片、輪轂和機艙，通常內部是空的，包含許多外接電纜，并且設有腳手架等通道，供維修人員使用。

產生雷暴現象時，風電機組極易出現接閃的情況。此時風電機組上方積聚了大量的雷云，此時大地會出現感應電荷，由于風電機組往往建在高山地區，處于較為突出的位置，在雷暴環境中產生一個極不均勻的電場極，并伴有尖端放電現象。強力的電流擊穿風力發電機與雷云間的游離空氣，極易發生回閃放電現象，風力發電機作為導體，將雷電流引入大地。

1.1 雷擊危害

風電機組遭受雷擊時，會導致其劇烈的放電，嚴重損壞風電機組設備。雷擊災害包括兩種類型：直擊雷和間接雷擊。直擊雷會產生電效應、熱效應和機械效應，破壞風電機組的正常運行;間接雷擊是人們通常所說的二次雷擊，產生的雷電感應會造成嚴重破壞，包括靜電感應、電磁感應和雷電反擊。

1.1.1 直擊雷對風電機組的危害

若物體直接遭受到雷擊，會在一瞬間接收到十分強大的電流，在雷擊點某個范圍內，電流產生的熱效應導致溫度驟然上升，其熱量足以融化金屬。風力發電機組遭受雷擊時，會將雷電流引入大地，由于雷電流具有高幅值的特性，雷擊點的溫度在短時間內大幅度上升，且無法做到迅速冷卻，極有可能融化損毀風力發電機的裝置，此時機艙內產生大量水汽并迅速膨脹，嚴重時可能導致發電機爆炸，給發電廠造成巨大的損失。

1.1.2 間接雷擊的危害

靜電感應對風電機組的危害。雷云聚集時，風力發電機的外殼會附著許多感應電荷，產生雷暴現象的過程中，先導通道中的電荷與地表電性相反的電荷發生碰撞，從而中和了風力發電機的電性，感應電荷沒有了約束，變成能自由移動的電荷。自由電荷處于游離狀態，沒有固定的移動方向，不能在短時間內離開發電機，會在局部產生較大的電位差。自由電荷經過風塔被引入大地的過程中，由于高電壓的產生，在某些接觸不良的金屬部件之間會引起電火花，導致設備發生故障，并且存在火災隱患。

1.1.3 電磁感應對風電機組的危害。

雷擊災害發生時，風塔將雷電流引入大地，風塔內部會形成一個強大的暫態脈沖磁場。由電磁感應定律可知，周圍的設備受脈沖磁場的影響，會出現過電壓和過電流，導致風塔內的電子設備出現故障，無法進行操作。

1.1.4 雷電反擊對風電機組的危害。

發電機組與附近設備共用一套接地體，雷電擊中風電機組時，接地體中有強大的雷電流通過，電位也隨之升高。雷電反擊現象會導致多個金屬體之間出現連鎖反應，對設備甚至人身安全造成嚴重威脅。暫態電位升高使接地體周圍土壤的電壓下降，地面的不同兩點之間出現電位差，電位差增大到一定程度時，若有人員經過時可能發生跨步電壓和接觸電壓觸電，存在巨大的安全隱患。

2 ?風電場防雷保護措施研究

現代防雷技術強調保護措施的全面性，針對防雷擊過電壓，需要制定一套系統的防護方案，進行多層保護，綜合考慮實際情況，利用接閃、引下、分流、接地等方式，為瞬間通過的脈沖電流提供一條路徑，防止雷電流對磁場和電場進行干擾，避免電子設備遭受破壞。風電機組可以使用以下方法進行防雷擊保護。

2.1 對直擊雷的防護措施

2.1.1 接閃

風力發電機的葉片往往處于整個發動機最高的位置，最有可能成為雷擊點。制定風力發電機的直擊雷防護措施時，往往直接將葉片作為接閃器，隨著科學技術的發展，目前風力發電機的葉片多選用復合材料，結構是中空的，發生雷擊現象時，會燒毀雷擊點周圍的金屬配件，葉片遭到損毀，且容易在內部產生電弧，使葉片受到嚴重的破壞。因此將葉片作為接閃器時，必須將雷電流導向輪轂，選擇傳導能力良好的材料至關重要，可以使用傳導材料制造葉片，或在其表面固定金屬導體。風力發電機的機艙設有發電機和控制系統，當其受到雷擊時，可能直接導致風電機組癱瘓，解決辦法是在機艙上部放置接閃桿，位置必須比風向儀高，降低直擊雷毀壞發電機的風險。

2.1.2 接地

接地在風力發電機防雷保護措施中至關重要。風電場所處位置多為山區高地，存在土層結構復雜多變和土壤垂直分層的情況，大大增加了土壤的電阻率，必須科學設置接地網。施工過程中要適當地換土，采用降阻劑，加大接地體埋深等，接地體的埋入地點必須滿足電阻率低的要求，確保將電流順利引入大地。

2.2 對雷電感應的防護措施

2.2.1 過電壓保護

雷電擊中發電機時，會在極短的時間內產生較強的電壓電流，過電壓保護是在一定區域范圍內，確保導電部件之間的電位處于相同水平，以電源傳輸線作為通道，將雷電流迅速引入大地。在風機和箱變的電源傳輸線、信號傳輸線的關鍵部位，以及敏感設備的接口處，都要求配置電涌保護器，采用層層防護，抑制過電壓的形成，使雷電流在瞬間快速通過，保護設備不受損壞。

2.2.2 等電位聯結

等電位聯結具有均壓屏蔽的功能，其原理是建立金屬的法拉第籠，保護風力發電機組內部的設備，雷擊現象會使設備之間產生電位差，等電位聯結能夠使電位恢復平衡并削弱機組內部的磁場強度。發電機內部的重要組件之間應建立等電位聯結，例如主軸承、齒輪箱以及發電機等。

2.2.3 設置合理的警示標識

風力發電機組大多遠離市區，處于無人出沒的野外山區，風塔、升壓站接閃桿等位置容易產生接觸電壓和跨步電壓，有必要在附近設立警示牌，提醒經過的人員保持安全距離，避免發生觸電事故。野外作業時必須明確天氣信息，做好防護措施，禁止在雷電環境中操作。

3 ?結語

科學技術在不斷地發展，隨著風電機組高度的增加，配置的設備價格也越高，雷擊災害為風電機組帶來的損失不容小覷。風電場往往處于地勢較高的山頂，土壤電阻率大，對雷電流的引流造成阻礙，增加了雷擊對其造成毀壞的可能性。各個季節都有可能發生雷電活動，其中夏季是雷電的高發時段，且雷電的破壞性較強，應做好防護措施。雷擊分為直擊雷和間接雷擊，都會對風力發電機組造成損壞，對風力發電機組的防護應從這兩方面入手。確保接閃和接地的有效性，為雷電流提供最短最快的路徑，使其快速脫離風電機組;過電壓保護和等電位聯結可以避免感應雷對發電機組造成破壞，維護機組內部設備的穩定運行;風電場周圍設立警示牌，工作人員規范操作，確保人身安全。結合風電場周圍的自然環境，分析雷電活動的分布規律，對雷擊災害進行預判，根據當地風電場的特點制定防雷保護措施，為其他陸地風電場的雷擊風險分析、防雷設計方案等提供參考案例。

參考文獻

[1] 林旭東，許乾杰，陳英俊.雷電防護接地電阻降低方法及應用探討[J].通信電源技術，2019，36（5）：163-164.

[2] 孫月，全秋浩，馬云飛，等.氣象信息系統雷電防護常見問題的解決方法[J].吉林農業，2019（10）：106.