贵州韭菜坪风电场雷电活动分析

沈克鑫，曹 飞，李 军

(1.贵州省防雷减灾中心，贵州 贵阳 550002;2.贵州省普安县气象局，贵州 普安 561500)

1 引言

贵州韭菜坪风电场设施分布于高山且处于主要风口位置，雷电活动频繁，雷击会产生人员伤亡或造成设施损坏。同时，项目自动化控制程度高，雷电引起的电压波动会损坏控制系统，严重影响生产，因此，雷电防御工作尤为重要。然而，雷电防护必须找到重点，以最少的资金投入，取得最大的经济效益，为了解决这个问题，必须结合项目的特点、通过对影响雷电灾害的各个因素的分析采取最有效的保护方式。所以，分析雷电活动的各个因素是整个防雷过程中的重要步骤。

2 风电场项目特点

2.1 地形地貌

贵州韭菜坪风电场处于贵州省毕节地区赫章县珠市乡与威宁县东风镇、六盘水市钟山区大湾镇交界的韭菜坪区域，项目占地面积约40 km2。

风电场场址区高程2 300～2 900 m，地势西高东低，中间隆起，呈北西走向，山峦起伏。韭菜坪山脉西南面主要为沿岩层面斜坡;东北面高程急剧下降至2 550 m左右，分布较多的陡壁;顶部或半坡分布较多的宽缓平台。半坡或韭菜坪山脉顶部一半基岩裸露，表层浅覆草类植被，基岩裸露部位的灰岩地带溶沟溶槽极为发育，部分地区形成小规模的石林。

2.2 土壤电阻率

在防雷装置设计施工中，土壤电阻率是一个重要且关键的参数，它对雷击选择性会形成关键影响，该参数的准确度直接关系到防雷装置设计过程中的科学设计，也可能极大的影响到建设单位投资费用。风电场所在地土壤电阻率分布较为均匀，土壤电阻率在900～1 200Ω·m之间，属于高土壤电阻率。采集时土壤较湿润(相对湿度89%)，取季节系数Ψ=12，调整后的土壤电阻率为1 200Ω·m。

2.3 设备设施及其分布

贵州韭菜坪风电场安装66台1 500 kW的风电机组，采用MYse15－82机型，每台风电机组附近均设置1台箱式升压变电站作为机组变压器，将发电机电压由0.69 kV升高至35 kV后接入风电场内110 kV变电站主变低压侧母线。

风电场设一座110 kV升压变电站，风电场所有风机的电能经变电站升压后送入外部电网。110 kV升压变电站包括主变场、生产楼(含35 kV配电室)、110 kV GIS室，进出线架构、电容器场和事故油池、避雷针等。

生产楼是整个风电场的运行控制中心，同时也是电场工作人员的办公场所。生产楼内主要设有中央控制室、继电保护室、计算机室、直流盘室、蓄电池室、试验室。辅助生产楼是电场工作人员的生活、活动场所;辅助生产楼内主要设有会议室、宿舍、餐厅及健身房。辅助生产楼附近还布置有车库、泵房、生活—消防水池等辅助设施。

3 雷电活动规律

3.1 气象观测数据分析(1963—2007年)

赫章县的雷暴日年际变化趋势较大，雷暴活动比较频繁，其雷暴日在31～79 d，年平均雷暴日为54.29 d，月平均雷暴日超过4 d;雷电活动主要发生在4—9月，平均最高为11 d。雷暴日最多的年份为1983年，天数为90 d，雷暴日最少年份为2003年，天数为31 d。

威宁县雷暴活动比较频繁，其年雷暴日在38～86 d，年平均雷暴日为55.56 d，月平均雷暴日超过4 d;雷电活动主要发生在4—9月，最高为11 d。雷暴日最多的年份为1963年，天数为86 d;雷暴日最少年份为2006年，天数为25 d。

水城县雷暴活动比较频繁，其雷暴日在43～87 d，年平均雷暴日为62.29 d，月平均雷暴日超过5 d;雷电活动主要发生在3—9月，最高为11 d。雷暴日最多的年份为1963年，天数为87 d;雷暴日最少年份为1996年，天数为43 d。

3.2 贵州省近2006—2011年雷电监测网数据分析

3.2.1 雷暴日 风电场所处区域(中心位置15 km半径)年平均雷暴日为73 d，月平均雷暴日超过6 d。雷电活动主要发生在4—9月，最高为15 d，6—8月为雷电多发期，月平均雷暴日数为14 d。

3.2.2 地闪密度 工程项目所处区域(以工程地址中心位置10 km半径)区域范围内雷电流年平均地闪次数1 289次，地闪密度为3.22次/km2·a，见表1。

表1 项目中心不同半径内的地闪密度(次/km2·a)

3.2.3 雷电流强度(表2)

表2 最大正、负闪强度及平均闪电强度(kA)

4 雷击损害特点及概率

4.1 风力发电机组的雷害特点

山区的云体在风力的作用下往往发生偏斜，使正电荷接近山顶，因此，山区正极性的云地闪电较平原多，山区避雷针的保护效果较低，同时，雷云沿山腰飘动，球雷的现象也多于平原地区。风机由于其结构特点，易受到直接雷击，沿输电网络侵入的雷电波也会给风机的正常运行产生较大影响。直击雷会造成风力叶片破裂，电机绝缘击穿、控制元件烧坏等事故。

①电机组的高度为65 m，属野外孤立构筑物，雷击概率大。

②塔架需要接闪且所在的位置更易遭受雷击，更增大了雷击的概率。

③风电机组处于风场活动区，且叶片和引擎盖在旋转，增大了雷击的概率。

④塔架接闪时，闪电电流通过塔身及组件传导至地面，闪电电流直接通过或临近通过几乎所有的组件，对组件造成影响，受损机率大。

⑤高大建筑本身会影响雷击闪电的发生过程，风力发电机高度超过60 m，会发生侧击，这时顶部雷击的少许百分比被侧击代替，即使做了防雷保护还是可能会使发电机的叶片雷击损坏。此外，部分向上闪击会随着高度的增加而加强。

⑥风力发电机位于丘陵上或者山脊上的疾风区，这样的位置经常是强雷击地区。由于风力发电机适宜安装得比周围地区高，同时远离其它相同高度的物体，使它们更易于受到雷电袭击。风电场的另一问题是接地问题，该地的土地土壤电阻率很高，制作合适的接地非常困难，因雷击的损失相比低土壤电阻率区域更大。

4.2 风电场各组成部分的雷害概率

风力发电机遭雷击的风险都是一个有关高度、地形地貌和当地雷电活跃程度的函数。这只需要评估雷电防护系统的成本和所能预防的雷灾损毁的费用对比来分析。

直击雷频率可以按如下方式计算:

经计算:风电场各组成部分年平均雷击次数如下表(表3，合计中不含邻近雷击次数):

根据雷击频率，结合选择的雷电防护系统，就可以估算出雷击损害概率。计算出的各部分雷害的组成及概率，风电机组及升压变电箱区、主变压器、110 kV GIS室区域雷灾概率较大，这些区域是雷电防护的重点(表4)。

表3 风电场各组成部分雷击次数

表4 不同分区内风险的组成

表中:RA是直接雷击造成人员伤害的概率，RB是直接雷击造成物质损失的概率，RC是雷击导致设备设施失效引起相关间接损失的概率，RU和RV分别是电源及信号以及其它线路受雷击损害并沿线路入侵造成其它损害概率，表中主要计算电源及控制线路。

风电机组及升压变电箱区、主变压器、110 kV GIS室区域雷灾概率较大，这些区域是雷电防护的重点。

4.3 雷电电磁脉冲损害

邻近雷击情况下，入射磁场可近似看作一个平面波。LPZ0B区入射磁场强度 H0可按下列公式估算:

i0—雷电流强度(A)

Sa—雷击点至所考虑的被屏蔽空间的水平距离(m)

雷击所致的磁场强度最大值由首次雷击产生，因此雷电流选择i0=250 kA。在距建筑45 m范围产生邻近雷击时，建筑物处无衰减磁场强度H0＞800(A/m)，会对设备产生影响(表5)。

表5 建构筑物外不同雷击点产生的无衰减磁场强度

5 结论

①风电机组、主变压器等的雷灾损害概率值均超过IEC标准规定的可承受值，说明项目设备设施易受雷击而损坏，其中，电源、信号线路的雷击是主要灾害的主要来源。防雷设计时，对进出建筑的电源、信号线路，需要采取埋地敷设方式布线，同时根据弱电项目防护等级在线路安装多级SPD进行保护。

②在距建筑50 m范围产生邻近雷击时，建筑物处无衰减磁场强度超过国家规范要求的800(A/m)，会造成计算机网络、信息控制系统等弱电设备的损坏。对生产控制楼等设备的机房和控制室，应采取屏蔽措施。

③韭菜坪风电场区域土壤电阻率分布均匀，平均土壤电阻率为1 200Ω·m，属高土壤电阻率范围，接地制作比较困难。由于土壤电阻率很高，雷电产生时静电感应会对埋地电缆形成较大的损害。

④风电场区域场址高差达600 m，由于地形抬升作用形成的对流云带来的雷电活动相应增多。风机选址均在强风区，雷云沿这些路径活动，更易对风机造成影响。

综上所述，风电场雷暴日较周边地区高，更易受到雷击，且区域落雷概率高、闪电强度大;邻近雷击产生的磁场会对灵敏设备造成影响;风电机组、主变压器的雷灾概率较大，整个项目的防护重点是升压站主变压器、风电机组及场内电源和信号传输线路。

［1］IEC TR 61400－24:2010 Wind turbines－ Part 24:Lightning protection［S］.

［2］IEC 62305－2 Protection against lightning－Part 2:Risk management［S］.