山區風力發電場的綜合防雷技術分析

李俊鋮 劉少華

摘要：現階段，我國各行各業的建設發展迅速，近年來風力發電機組逐年增加，山區風力發電機組大都布置在風力較強、雷電多發的山脊等制高點位置，并遠離其他高大建筑，因此更易遭受雷擊。本文針對山區地形的風力發電機組分析研究適用的防雷設計，為山區風力發電機組整機防雷技術提供參考。

關鍵詞：山區風力發電場;綜合防雷;技術分析

引言

作為一種新型的節能技術，風力發電系統在滿足人們對電力的需求等方面發揮了重要作用。但是這一技術在應用的過程中容易受到雷電的襲擊，進而直接影響了電力系統的正常運行，為人們的生活和生產帶來不便。為了進一步提高風力發電系統的使用效率，避免雷電災害的襲擊，就要做好防雷技術。通過利用有效的技術手段規避雷電造成的不良影響，為提高電力系統的安全性和穩定性奠定良好的基礎。

1雷電災害分析

針對風力發電系統來講，因為需要以風力資源作為生產根本，必須要建設在野外空曠區域，并且葉片均保持較高高度，這樣就決定了其更容易受到雷擊影響。葉片為雷擊的主要對象一般情況下雷擊損害主要集中在葉尖部位，很少會造成整個葉片損壞，其成本非常高，被損壞需要花費較多費用進行維修甚至換新。當葉片遭受雷擊后，會釋放出大量的能量，過大雷電流會促使葉尖結構內部溫度急劇升高，水分受熱汽化膨脹，產生較大的機械力，而導致葉尖結構破裂損壞，部分情況下甚至會造成整個葉片開裂。或者是雷擊時伴隨的巨大聲波，導致葉片結構受到損壞。面對雷擊對葉片造成的不良影響，必須要加強對風力發電系統的防雷設計，避免葉片被損壞，維持系統的正常運行。

2綜合防雷措施

根據風力發電場的使用性質、重要性以及發生雷電事故的可能性和后果，依據GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》和雷擊風險評估，將風力發電場劃分為第二類防雷建筑物，風電場的防雷設計應根據實際情況進行全面的考慮，按照科學的方法設計一個綜合的防雷系統工程。

2.1電子信息系統防護

采用電子信息系統防護措施重點是對防雷保護等級進行確定，需要在對其進行設計時按照不同的建筑物電子信息系統的特點、環境、雷電活動規律、設備所在雷電防護區和系統對雷電脈沖的抗擾度、雷擊事故受損程度、系統設備的重要性來進行確定和全面規劃。首先就是為了對電磁干擾的感應效應進行減少而采用將屏蔽措施在風機與控制室外部進行設置，并聯合使用合適的路徑進行線路敷設和屏蔽等方式。其次就是針對機艙內各種機柜的防護，組要是通過變槳控制柜、使用雙絞線通訊在機艙到變槳柜之間，以及采用在機艙控制室與塔底控制室之間的UPS進線端安裝電源避雷器等方式。最后就是針對塔底設備柜的防護。就是在各設備采用三級SPD防護的雷電波防護方式。

2.2接地網系統

風力發電場的風機和箱變共用一個接地網，利用風機塔基其本身的鋼筋混凝土做自然接地體，并沿著基礎另外做環形接地網。將塔基鋼筋混凝土與環形接地網相連接，部分土壤電阻率較大的風機機位可采用換置土，外引接地網，外引接地線，增加離子接地模塊和離子棒等方式降低接地電阻至4Ω。水平接地體采用-60mm×6扁鋼，垂直接地體采用L63mm×63mm×6角鋼。接地網溝槽深0.8m，寬0.5m垂直接地體的頂端在溝槽底部與水平接地體連接。風機與風機外接地環連接點至箱變與箱變外接地網連接點之間，沿接地體長度大于15m。

2.3等電位連接

等電位相互連接的目標就是為了有效防止和減少在設備與系統之間，系統和操作者之間可能發生危險的電位差，確保設備及操作人員的安全。但是，對于一個不恰當的等電位接地，不但使設備無法實現應用目標，而且很可能還會將一些受到雷擊影響的電流導致輸入或者傳遞到設備中，造成對該設備的嚴重傷害。根據各類風電機組使用情況和特點，其等電位的連接主要由以下幾個部分構成：機艙等電位，塔筒底部等電位。①機艙等電位連接。在大型應用風力發電大型發動機組的風力引擎室和風力發動機艙內為了能夠使兩個用戶之間能夠同時連接形成一個可靠的低和高電位接地系統，就分別設置了一個用于等效低和高電位接地系統的連接端子板。等驅動電位接地系統與一個端子板互相串聯連接安裝到整個整體機艙內所有金屬電子元件端的底座中。可以用于整個整體機艙內各種類型通用電氣電路設備的整個金屬外殼、機柜、機架、金屬元件的導管、槽、屏蔽板等層和通用電源接地連接器等線纜的整個金屬屏蔽層、Spd的電源接地端、機艙內的電源接地線和整個整體機艙內的等驅動電位接地端子板相互連接;用于風力發電廠的機組通風葉片的靜電防雷保護裝置需要引入以下線路就是通過一個等驅動電位端的接地線與端子板相連接安裝在整個機艙的元件底座上。②塔筒底部等電位連接。塔筒底部設置了總等位連接端子板，并通過鍍鋅扁鋼與風力發電場的環形接地網進行可靠連接，連接方式采用雙面焊，焊接長度6cm。塔筒底部各種類型金屬裝置、金屬接線管、槽、機柜金屬外殼、線纜屏蔽層等需就近與總等位連接端子板等電位連接。

2.4側擊雷防護

在風機受到側擊雷危害時，由于雷山的最后閃絡距離為45m時，與之相對應的得到保護的最小雷電流幅值為10.1KA，也就是說在滾球半徑為45m時，只要雷電流在10.1KA以上就會在接閃器上出現雷電閃擊問題。而且在雷電流在此數值以下時會出現繞擊問題，且在被保護物體的高度在45m以上時會出現側擊問題。這就對風機塔身材料提出了較高的要求，不僅要做好防腐防護措施，而且要確保其在發生側擊問題時，可以對引下線的作用進行圣獸以及起到接閃的作用。加強雷電的預警，當雨云進入風電場時，風機及時停止工作，并使風機槳葉停在最不容易接閃的位置，如相對水平處，這樣就可以大大減小槳葉被雷電擊中的可能。因風機在工作時的運轉較快，尤其是暴風雨來臨時，其運轉速度更快。運轉中的風機，第一易于接閃，第二葉片和機艙處于旋轉狀態時，不易導流，第三風機在靜止狀態和快速轉動情況下被雷電擊中被破壞的程度差別極大，槳葉快速運轉時，其動量和慣性都很大，遇上雷電強大的機械作用和熱作用，很可能將風葉徹底破壞，而風葉在靜止狀態下接閃，則造成的破壞一般較小，修復容易，費用較低。另外，在風機遭遇雷擊時，及時地切斷電子電氣線路，也可防止雷電形成的過電壓通過線路傳到相鄰風電機組，使其遭受損壞。

結語

雷電災害已經逐漸形成了自然界中對于整個風力發電場的風機機組安全以及運行狀況危害最大的一種自然災害。因此做好風力發電機場的雷電防御對風電場的運行維護、管理等有重要的作用。

參考文獻：

[1]丁顯，徐進，滕偉，柳亦兵.風電機組狀態檢測技術研究現狀及發展趨勢[J].可再生能源，2017，35（10）：1551-1557.