风电场雷电防御的特殊性及应对措施

风电场雷电防御的特殊性及应对措施

李涛

辽宁雷电防护工程有限责任公司辽宁沈阳110000

摘要：风电场建设规模大、区域跨度大、资金投入高、系统设备构成复杂，风电机组作为地面上高耸突出的物体长期暴露在露天的自然环境中，不可避免地受到雷电的影响，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。基于此，本文主要对风电场雷电防御的特殊性及应对措施进行分析探讨。

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)。

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区别。

2、风电场的防雷保护措施研究

2.1直击雷防护措施

2.1.1风电机组机舱的接闪

机舱主机架与叶片相连，在机舱罩顶上后部设置一个或多个高于风速、风向仪的接闪杆可减小风速计和风向仪遭受直击雷的风险。设置叶片防雷系统能够减小或避免直击雷对叶片本体造成的损害。专设的引下线连接机舱和塔架，机舱和偏航刹车盘通过接地线连接。

2.1.2接地

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(如汕头南澳风电场)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。

用材方面，很长时间以来，一般建筑物接地装置使用的材料为钢铁。实际上，钢铁非常容易被土壤腐蚀，从而失去接地装置的作用，危及人们的生命和财产安全。而铜的耐腐蚀性比铁要好很多，铜包钢接地棒表层为99.9%的金属铜，相对磁导率低，导电性能好，电阻远低于钢材、镀锌钢材等常规材料，耐腐蚀性强，年腐蚀率＜10μm/年(钢铁的年腐蚀率为0.2～0.3mm/年，潮湿酸性土壤腐蚀率高达1.0mm/年)。所以单个风电机组的人工地网水平接地体采用铜环，垂直接地体采用铜包钢接地棒，如图1所示，将水平接地体铜环埋于地面以下0.5m深处，沿铜环圆周相隔相同距离连接8～16根垂直的铜包钢接地棒。铜环导体至少有两点采用95mm2铜线连接到塔架基础上。

图1风电机组的接地装置

2.2雷击电磁脉冲的防护

2.2.1过电压保护

在风机和箱变的电源线路和信号线路的关键部位、敏感设备的端口设置电涌保护器，可以限制由于各种原因(如反击、侵入波、感应、操作不当)出现的过电压，泄放雷电流。

2.2.2等电位连接

等电位能够在雷击时起到均压屏蔽的作用，减小需要防雷的空间内各金属物与系统之间的电位差。机舱的组件如主轴承、发电机、齿轮箱等都应做好等电位连接。风轮与机舱间、机舱与塔柱间、尾舵与水平轴间应通过铆接、焊接或螺栓连接等方法做可靠电气连接。

2.3人身安全防护

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。

2.4建立风电场防雷资料管理制度

风电场投入运行后，建设单位应建立风电场防雷资料的管理制度，值班记录中要包含雷电灾害、防雷装置的运行情况等内容。防雷装置应由熟悉雷电防护技术的专职或兼职人员负责管理。对防雷装置的设计、安装、隐蔽工程图纸资料、痕迹材料、数码图片资料、年检报告等均应及时归档、妥善保管，使风电场的雷电防御工作更具有针对性和指向性。

3、结语

综上所述，针对当前风电场雷电防护的形势，为有效防御和减少雷击对风电场的不利影响，保障风电场的正常运行和人员的人身安全，应确定风电场防雷保护的重要环节，规范风电场雷击风险评估、防雷装置的设计审核和检测工作，结合风电机组周边地形地貌、人员分布和建(构)筑物布局，采取有效的防雷保护措施，开展风电场专项防雷工程建设，处理好恶劣地质条件下接地方案和降阻等的技术难点，切实提高风电场雷电灾害防御能力和安全管理水平。

参考文献：

［1］孙云．风电场防雷接地系统的施工工艺分析［J］．应用能源技术，2012(11):46－49．

［2］刘菁．风电场雷击事故的分析及防范措施［J］．科技广场，2009(9):210－211．