风电场雷电防御的特殊性及应对措施杨利军

(整期优先)网络出版时间:2018-06-16
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风电场雷电防御的特殊性及应对措施杨利军

杨利军

杨利军

(晋能清洁能源风力发电有限责任公司山西太原030000)

摘要:随着风电场的增多,规模的扩大以及单机容量的不断提高,风电场的安全运行问题日益受到关注。统计表明,雷击造成的损坏成为风电机组乃至整个风电场安全运行的主要因素。而风电场(尤其是风电机组)在雷电防御方面还没有相应的规范标准和成熟、完善的技术来指导具体的设计、施工以及运行期间的维护,为了保证风电场设备和人员的安全,进行风电场尤其是风电机组的雷电防御研究变得非常急迫和必要。本文主要分析了雷电放电特点及风电场雷电防御的特殊性以及相关的雷电防御的应对措施。

关键词:风电场;雷电防御;特殊性;应对措施

1雷电放电特点及风电场雷电防御的特殊性

雷电是发生在大气中的放电现象,多发生在积雨云中,产生雷电的条件是雷雨云中有电荷积累并形成极性。一般山地雷电比平原多,沿海地区比大陆腹地多,建筑物越高,遭雷击的概率越高。雷电放电按其闪电位置分为云闪和地闪,云闪又包括云内闪、云际闪和云空闪。地闪一旦发生将对地面设施产生巨大的破坏作用,因此,地闪是雷电防护的主要研究对象。

雷电引起的灾害是自然界十大自然灾害之一,其危害主要分为两类:直接危害(主要为雷电引起的热效应、机械效应和冲击波等)和间接危害(主要表现为雷电引起的静电感应、电磁感应和暂态过电压等)。风电场,是由多台并网型风力发电机组(简称风电机组)构成的发电厂,风电场的风电机组产生的电能,通常是由电压由风力发电机组0.69kV经过箱式变压器升至35kV,再经架空线路或电缆输送到风电场的变电站,在变电站再将电压升高至110kV或220kV后,经高压架空线路或电缆并网,所以风电场一般都有风电机组、箱式变压器、线缆、变电站、控制楼等设备组成,但因建设位置的特殊性和风电机组本身的结构特点,其雷电防御要求又跟普通的建筑物有显著区别。

首先,为了获得高风速,风电场多建于海拔高的山顶或山脊,这些位置的土壤电阻率高,大地导电性低,如何合理有效设置接地系统就成为一个棘手问题。另一方面,随着风电场单机容量的提高,风机轮毂高度和叶轮直径不断提高使得风机的有效高度多在60m以上甚至上百米,风机叶片成为周围空间的至高点,雷电对风电机组的放电容易产生上行先导,雷击概率显著提高,而暴露面最大的风机叶片多采用玻璃钢等复合材料制造,耐受雷击能力和导电性能低,且叶片是旋转的,存在雷击旋转叶片的多点甚至雷击多个叶片的可能,这些都成为风电场需要特别考虑的、不同于一般地面建筑物的特殊防雷问题。另外,风电场的风电机组由多个组件连接而成,很多连接的两个组件是相互运动的,为使雷电流从雷击点快速、安全地通过整个风电机组结构到达地面,各个组件间的电气连接也变得尤为重要,而且风机利用本身泄放电流,其人身安全防护要求也跟普通建筑物有显著的区别。

2雷电防御的应对措施

2.1接闪系统

风电场安装的风机,一般分为设置了叶尖阻尼器和未设置叶尖阻尼器两种。设置了叶尖阻尼器的叶片,整个叶片分成了两段,叶尖部分玻璃纤维聚脂层表面预埋铜片或金属导体作为接闪器,与连接到叶片根部的敷设在叶片内腔作为引下装置的钢丝或铜导体连接,引下装置叶尖阻尼器启动相连接,叶片根部法兰与轮毂连接,从而把雷电流引至塔架直至入地。实际运行经验表明,安装了防雷装置的叶片遭受雷击的概率要比完全使用绝缘材料制成的叶片有所降低,但仍然经常遭受雷击。具体原因如下:一般的叶片防雷只要求在叶尖设置接闪器,但随着单机容量的增加,叶片的长度也在不断增大,叶尖相对于整个叶片来说,变成很小的一部分,而且叶片是旋转的,雷电很可能会击中叶片未设置接闪器的部位而使整个叶片受损。同时,作为导引线的金属导体的面积也影响着防雷效果。为了解决以上问题,建议通过在整个叶片上设置多个接闪器来增大整个叶片的接闪面积,提高叶片对雷电的拦截能力,降低叶片未设置接闪器部位的雷击概率。现在,兆瓦级风电机组的叶片普遍设置多个接闪器,还在风电机组叶片尖端位置安装雷电捕捉器,捕捉器截面积大约200~300mm2。雷电捕捉器通过叶片内部的接地电缆连接到叶片根部法兰处,每个叶片接地线底部安装有一个雷电峰值记录卡。

2.2接地系统

在综合防雷系统中,接地系统的优劣决定了防雷装置泄放雷电流效率的高低,很多风电场(如平鲁嵩林山风电场)都出现接地电阻偏高的问题,也曾经尝试使用降阻剂、换土、增大接地体、将多个风机接地装置连接等方式降阻,效果都不理想。由于风电场多建在山地且分散范围大,而山地的土壤电阻率一般较高,而且气候、地质结构的特殊性对接地装置的防腐防锈要求很高,所以要使接地系统经济、合理、有效,关键在接地系统设置和用材方面进行考虑。

由于风机多安装在高土壤电阻率的高山、丘陵地带,单纯利用塔架钢筋混凝土基础钢筋作为接地装置难以达到接地电阻要求,需要增加人工地网,具体布置形式是在塔架基础周围深度至少0.5m处放置一水平环形接地极与塔架相连接,并在水平电极均匀焊接若干垂直接地体,水平环形接地极半径由风电机组基础半径、所需的防雷保护等级以及土壤电阻率确定。环形接地极通常围绕风电机组基础安装。对于普通建筑物,我们认为在雷暴天气来临时,处在直击雷防御区内的人员是相对安全的,但处在风电机组直击雷防御区内的人员却仍然存在安全隐患,这主要涉及跨步电压和接触电压的问题。因为风电机组内有大量的电气设备和金属线缆,而且雷电流是直接通过风机本身泄放电流的,所以雷雨天气,处在风机内或靠近风机都是不安全的。建议在风电场入口设立安全警示牌,提醒人员在雷暴天气勿接近风电机组、箱式变压器或变电站,停留在安装有完善防雷装置的建筑物内,风电场工作人员尽量在雷暴天气来临时不去风电机组内或风电机组附近进行作业。

3结语

总之,风电场因其许多的特殊性使雷电防御问题变得复杂,适用于普通建筑的雷电防护措施很多不能满足风电场的雷电防护要求,普通建筑的防雷技术规范,不能过于依赖和照搬;需要因地制宜,在认真了解并分析风电场的地理、地质、土壤、气象、环境等条件和雷电活动规律,以及被保护物的特点等的基础上,结合雷灾情况分析,详细研究并确定雷电防御措施。这也给我们提供了一种思路,就是针对不同的雷电防护对象,在未出台相关的规范标准或成熟、完善的技术指导时,应因地制宜地采取防雷措施,首先详细了解雷电防护对象本身,找出与普通建筑共性的部分直接采用普通建筑成熟的防雷技术理论,对区别于普通建筑的特异性部分需要针对相关的雷灾特点有探索性地寻找雷电防护措施,并根据应用后的效果进一步总结完善。

参考文献:

[1]王丽广.风电机组的防雷保护[J].变流技术与电力牵引,2008(2):37-39.

[2]陈绿文,黄智慧,禹继,等.一次人工触发闪电事件的定位误差分析[J].广东气象,2010,32(1):15-17.

[3]陈渭民.雷电学原理[M].北京:气象出版社,2006.

作者简介:

杨利军(1992.03.10出生),男,汉族,本科学历,职称:助理工程师职称,职务:风电场副场长,研究方向:风电场雷电防御的特殊性及应对措施。