山区风力发电场的综合防雷技术分析

李俊铖 刘少华

摘要：现阶段，我国各行各业的建设发展迅速，近年来风力发电机组逐年增加，山区风力发电机组大都布置在风力较强、雷电多发的山脊等制高点位置，并远离其他高大建筑，因此更易遭受雷击。本文针对山区地形的风力发电机组分析研究适用的防雷设计，为山区风力发电机组整机防雷技术提供参考。

关键词：山区风力發电场;综合防雷;技术分析

引言

作为一种新型的节能技术，风力发电系统在满足人们对电力的需求等方面发挥了重要作用。但是这一技术在应用的过程中容易受到雷电的袭击，进而直接影响了电力系统的正常运行，为人们的生活和生产带来不便。为了进一步提高风力发电系统的使用效率，避免雷电灾害的袭击，就要做好防雷技术。通过利用有效的技术手段规避雷电造成的不良影响，为提高电力系统的安全性和稳定性奠定良好的基础。

1雷电灾害分析

针对风力发电系统来讲，因为需要以风力资源作为生产根本，必须要建设在野外空旷区域，并且叶片均保持较高高度，这样就决定了其更容易受到雷击影响。叶片为雷击的主要对象一般情况下雷击损害主要集中在叶尖部位，很少会造成整个叶片损坏，其成本非常高，被损坏需要花费较多费用进行维修甚至换新。当叶片遭受雷击后，会释放出大量的能量，过大雷电流会促使叶尖结构内部温度急剧升高，水分受热汽化膨胀，产生较大的机械力，而导致叶尖结构破裂损坏，部分情况下甚至会造成整个叶片开裂。或者是雷击时伴随的巨大声波，导致叶片结构受到损坏。面对雷击对叶片造成的不良影响，必须要加强对风力发电系统的防雷设计，避免叶片被损坏，维持系统的正常运行。

2综合防雷措施

根据风力发电场的使用性质、重要性以及发生雷电事故的可能性和后果，依据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》和雷击风险评估，将风力发电场划分为第二类防雷建筑物，风电场的防雷设计应根据实际情况进行全面的考虑，按照科学的方法设计一个综合的防雷系统工程。

2.1电子信息系统防护

采用电子信息系统防护措施重点是对防雷保护等级进行确定，需要在对其进行设计时按照不同的建筑物电子信息系统的特点、环境、雷电活动规律、设备所在雷电防护区和系统对雷电脉冲的抗扰度、雷击事故受损程度、系统设备的重要性来进行确定和全面规划。首先就是为了对电磁干扰的感应效应进行减少而采用将屏蔽措施在风机与控制室外部进行设置，并联合使用合适的路径进行线路敷设和屏蔽等方式。其次就是针对机舱内各种机柜的防护，组要是通过变桨控制柜、使用双绞线通讯在机舱到变桨柜之间，以及采用在机舱控制室与塔底控制室之间的UPS进线端安装电源避雷器等方式。最后就是针对塔底设备柜的防护。就是在各设备采用三级SPD防护的雷电波防护方式。

2.2接地网系统

风力发电场的风机和箱变共用一个接地网，利用风机塔基其本身的钢筋混凝土做自然接地体，并沿着基础另外做环形接地网。将塔基钢筋混凝土与环形接地网相连接，部分土壤电阻率较大的风机机位可采用换置土，外引接地网，外引接地线，增加离子接地模块和离子棒等方式降低接地电阻至4Ω。水平接地体采用-60mm×6扁钢，垂直接地体采用L63mm×63mm×6角钢。接地网沟槽深0.8m，宽0.5m垂直接地体的顶端在沟槽底部与水平接地体连接。风机与风机外接地环连接点至箱变与箱变外接地网连接点之间，沿接地体长度大于15m。

2.3等电位连接

等电位相互连接的目标就是为了有效防止和减少在设备与系统之间，系统和操作者之间可能发生危险的电位差，确保设备及操作人员的安全。但是，对于一个不恰当的等电位接地，不但使设备无法实现应用目标，而且很可能还会将一些受到雷击影响的电流导致输入或者传递到设备中，造成对该设备的严重伤害。根据各类风电机组使用情况和特点，其等电位的连接主要由以下几个部分构成：机舱等电位，塔筒底部等电位。①机舱等电位连接。在大型应用风力发电大型发动机组的风力引擎室和风力发动机舱内为了能够使两个用户之间能够同时连接形成一个可靠的低和高电位接地系统，就分别设置了一个用于等效低和高电位接地系统的连接端子板。等驱动电位接地系统与一个端子板互相串联连接安装到整个整体机舱内所有金属电子元件端的底座中。可以用于整个整体机舱内各种类型通用电气电路设备的整个金属外壳、机柜、机架、金属元件的导管、槽、屏蔽板等层和通用电源接地连接器等线缆的整个金属屏蔽层、Spd的电源接地端、机舱内的电源接地线和整个整体机舱内的等驱动电位接地端子板相互连接;用于风力发电厂的机组通风叶片的静电防雷保护装置需要引入以下线路就是通过一个等驱动电位端的接地线与端子板相连接安装在整个机舱的元件底座上。②塔筒底部等电位连接。塔筒底部设置了总等位连接端子板，并通过镀锌扁钢与风力发电场的环形接地网进行可靠连接，连接方式采用双面焊，焊接长度6cm。塔筒底部各种类型金属装置、金属接线管、槽、机柜金属外壳、线缆屏蔽层等需就近与总等位连接端子板等电位连接。

2.4侧击雷防护

在风机受到侧击雷危害时，由于雷山的最后闪络距离为45m时，与之相对应的得到保护的最小雷电流幅值为10.1KA，也就是说在滚球半径为45m时，只要雷电流在10.1KA以上就会在接闪器上出现雷电闪击问题。而且在雷电流在此数值以下时会出现绕击问题，且在被保护物体的高度在45m以上时会出现侧击问题。这就对风机塔身材料提出了较高的要求，不仅要做好防腐防护措施，而且要确保其在发生侧击问题时，可以对引下线的作用进行圣兽以及起到接闪的作用。加强雷电的预警，当雨云进入风电场时，风机及时停止工作，并使风机桨叶停在最不容易接闪的位置，如相对水平处，这样就可以大大减小桨叶被雷电击中的可能。因风机在工作时的运转较快，尤其是暴风雨来临时，其运转速度更快。运转中的风机，第一易于接闪，第二叶片和机舱处于旋转状态时，不易导流，第三风机在静止状态和快速转动情况下被雷电击中被破坏的程度差别极大，桨叶快速运转时，其动量和惯性都很大，遇上雷电强大的机械作用和热作用，很可能将风叶彻底破坏，而风叶在静止状态下接闪，则造成的破坏一般较小，修复容易，费用较低。另外，在风机遭遇雷击时，及时地切断电子电气线路，也可防止雷电形成的过电压通过线路传到相邻风电机组，使其遭受损坏。

结语

雷电灾害已经逐渐形成了自然界中对于整个风力发电场的风机机组安全以及运行状况危害最大的一种自然灾害。因此做好风力发电机场的雷电防御对风电场的运行维护、管理等有重要的作用。

参考文献：

[1]丁显，徐进，滕伟，柳亦兵.风电机组状态检测技术研究现状及发展趋势[J].可再生能源，2017，35（10）：1551-1557.