摘要：近年来，风力发电行业发展迅速，风电系统自身结构及所处的特殊环境决定了其容易遭受雷击的危害，本文通过对分析雷电对风电系统的危害，然后从影响风机机组遭受雷击的可能因素出发，提出了风电系统防雷措施要求，为风力发电发展和风电场设计提供科学参考。
关键词：风电场；雷击风险；防雷措施
风力发电是目前电力行业中比较成熟的、最具有规模化发展的新型可再生能源，在目前全球温室效应影响严重情况下，风力发展将受到越来越多的关注。徐闻县位于我国大陆最南端，风力资源十分丰富。也是全省目前风电项目最多、装机容量最大的县之一，全部建成后将成为广东省重要的清洁能源生产基地。
风力发电的工作环境一般都在风能资源好的复杂地形地带、开阔地带或山地，如旷野、山顶等，环境一般比较恶劣，特别是风机的叶片高点甚至达一百多米，高高耸立的风机在空旷的环境中就非常容易被雷电击中，风电机组遭受雷击的概率较大。同时，雷电所携带的强电辐射等特征也将对风电场产生具体的破坏，成为了危及风电场安全运行的一大自然灾害，因此风电系统的雷电防护工作应引起足够的重视。
1、资料和方法
本文以徐闻县新寮镇某风电场为例，结合2012－2016年近5年广东省闪电定位系统观测资料及雷电灾情统计资料，通过讨论该风电场所在区域的地闪密度、雷电强度、闪电活动的逐月及逐时分布等特征参数，分析风电场存在的雷击风险和防雷保护的重要性，找出风电场防雷保护的薄弱环节，进而提出综合防雷保护措施。
1.1地闪密度
地闪密度是每平方公里年平均落雷次数，是表征雷云对地放电的频繁程度的量，是估算建筑物年预计雷击次数时重要的参数。统计广东省雷电监测网2012-2016的5年闪电观测数据得出，风电场中心坐标半径3公里范围5年平均地闪密度为12.56次/（km2•a）。
1.2风电场所在区域雷电强度分析
结合 2012-2016 年闪电观测数据，得到该风电场所在区域内地闪的雷电流幅值概率分布：雷电流幅值大于110.9kA的地闪概率为1%；雷电流幅值大于91.2kA的地闪概率为2%；雷电流幅值大于69.8kA的地闪概率为5%；雷电流幅值大于53.4kA的地闪概率为10%；雷电流幅值大于19.3kA的地闪概率为50%。说明该风电场所在区域的雷电强度较大，存在着一定的雷灾隐患。
1.3 3闪电活动逐月及逐时变化分析
通过闪电活动的逐时和逐月变化分布（图1、图 2）可看出，该风电场所处区域的雷电活动多发生在 4－9 月，8、9 两月雷电活动最为频繁，8 月闪电频次达到最大值。闪电活动从午后呈逐渐增加的趋势，14：00 以后闪电活动急剧增多，闪电集中发生在12：00 － 18：00，该时段强闪电出现的频数很高，14：00 闪电频数达到最大值。
综上所述，本文探讨的该风电场所在区域大气雷电环境较为复杂，发生雷电灾害的可能性较大。雷击易损坏风电机组系统设备，还会影响风电场的正常运行，造成严重的经济损失和人身伤害。
2 风电场防雷保护的特殊性
2.1选址环境的特殊性
广东省目前已投入使用或在建的风电场大多设置在迎风的主山或风能资源较好的野外，这些区域具有高土壤电阻率及地势开阔的特点。本文探讨的徐闻县新寮镇某风电场地貌为低丘台地地形，主要是第四纪熔岩地貌和海成地貌，沿海砂堤，土地贫瘠，植被较少，风电场位于东经110°19’～110°24’、北纬20°42’～20°50’，沿海岸规划布置，南北长约12km，占地面积约10 km2。
2.2风电机组构造的特殊性
近年来，风电机组的装机容量不断增加，轮毂高度和叶片直径不断提高，风机的有效高度大多在 60 m 以上，这在一定程度上增大了风机遭受直击雷的概率。雷击易造成叶片、箱变、塔筒物理损坏，可导致系统线路短路甚至引发火灾，影响风电场的正常运行，间接造成严重的经济损失，并对人员的人身安全构成安全隐患。风电场建设项目防雷装置的设计和施工质量，直接关系着工程的质量和运行安全，做好风电场雷电灾害防御极为关键。
3.风电场的综合防雷技术
风力发电系统的防雷保护包括外部防雷保护和内部防雷保护两大部分。
3.1外部防雷保护
外部防雷保护主要是直击雷防护，包括叶片防雷保护、机舱防雷保护、轴承防雷保护、塔架和引下线和接地系统。
3.1.1 叶片防雷保护
风力发电机组的叶片几何结构复杂，且由导电不良的增强型纤维复合材料制成，是风电机组中最暴露的部分。采用滚球法可以看到，叶片的大部分处于LPZOA区，受全部电磁场的影响，极易遭受直击雷。按照由雷击引起的维修成本，从大到小依次是叶片、发电机、电控系统、通讯系统。因此，叶片的防雷保护是风力发电系统防雷保护中重要的一环。
3.1.2机舱防雷保护
除叶片采取防雷保护措施，实现机舱的直击雷防护外，还要在机舱顶部设立与机架紧密连接的避雷针、保护风速计和风标。在遭受雷击时，将雷电流通过接地电缆传到机舱上层平台，避免雷电流沿传动系统传导。单支避雷针的保护范围，按建筑物防雷设计规范GB50057-2010要求确定。为防止直击雷破坏舱内设备，如果机舱外壳为钢板制成，钢板厚度必须大于4mm；如果机舱外壳为复合材料，应在机舱外面采用直径不小于 2.5mm的钢丝敷设 30mm×30mm 金属网格，兼做接闪器和屏蔽作用，必要情况下，需通过计算加大钢丝直径和网格密度。
3.1.3轴承防雷保护
风力发电系统发电机的转子与主轴可以承受较大的电流通过，只需采取措施防止雷电流通过时在主轴和转子表面产生电弧，以致轴承中的机械传动部件被雷电流灼蚀损坏。按照IEC62305-3的规定，可添加绝缘层改变雷电流路径，添加与轴承平行的滑环来承受部分雷电流，减少流过偏航轴承、变桨轴承等部件接触面的电流，延长其使用寿命。
3.1.4塔架及引下线
按照长度最短、路径最直接的原则，设置引下线连接机舱和塔架，减轻电压降，雷电流通过接地线，跨越偏航环、机舱和偏航刹车盘被引入大地。当塔架为金属制成或者有相互连接的钢筋网时可作为自然引下线。
3.1.5 接地系统
风力发电机组的接地系统是整个防雷保护系统的关键设置，雷电流通过接地装置流向大地，和其它防雷装置一起为风机遭受雷击时提供泄流通道。根据IEC规范要求：接地电阻必须小于1～2Ω。风电机组的接地装置一般采用环形接地体、基础接地体、水平接地体或垂直接地体组合。如果风电机组所处位置土壤电阻率较高，或者由于地形影响，风电机组无法向外扩张，接地电阻无法满足小于1～2Ω 的要求，需要采取其他改善措施，如利用风电厂内布置的电力电缆和通信电缆的屏蔽层将所有风电机组的接地网连接起来形成一个庞大的接地网来实现；采用降阻剂、深井接地、斜井接地、蜂窝状接地、增大接地网面积、增加垂直接地体、敷设水下接地网等实现降阻。
3.2内部防雷保护
风力发电系统内部防雷保护主要针对雷击产生的雷电电磁脉冲，分别对设备与电源线、信号线进行等电位连接、屏蔽与隔离、感应过电压防护、添加电涌保护器。
3.2.1 等电位连接
为了把风力发电系统各部分连接为一个电气整体，使其在遭受雷击时能够形成一个快速通道将雷电流引入接地装置，风轮与机舱间、机舱与机舱底座间、尾舵与水平轴间应单独使用截面积不小于16mm2的多股铜芯线或采用焊接、螺栓连接等方法做可靠电气连接，各连接处电阻应不大于0.03Ω。风速计和风标、避雷针一起接地等电位；机舱内部各个部件如主轴承、发电机、轴承等以合适尺寸的接地带连接到机舱底座作为等电位；功率变换器、控制箱外壳连接到机舱底座设置等电位。
3.2.2屏蔽与隔离
屏蔽可以减少元件间的电容性耦合。对发电机以外的设备采取屏蔽措施。由于雷电流具有趋肤效应，金属塔筒对其中的线路具有非常好的屏蔽效果；使用屏蔽电缆可以减少电磁耦合的影响；对于多根电缆，可以考虑捆扎以减少电磁耦合的影响；控制箱采用薄钢板制作，也可以有效防止电磁脉冲对其内部线路的干扰。
3.2.3感应过电压防护
对发电机及其励磁系统、继电保护系统、控制系统、通信系统都应安装相应的过电压保护装置。在发电机、控制器电子组件、通信电缆终端等，可以采用避雷器或者压敏电阻模块进行过电压防护；对于暴露在雷区的传感器采样信号，采用防雷线圈进行隔离保护，并通过 RS485接口保护电路与风电场监控室进行远程通讯，将数据隔离后进行传输。信号线路应尽可能短，并尽可能靠近金属构件布置；发电机和轴承等部件的敏感线路应布置在两端固定的线槽中；设置多个平行的电流通路使各路电流最小，尽可能减少感应过电压的影响。
3.2.4电涌保护器
雷击产生的高速变化的电磁场作用于风力发电系统电气回路和通信线路，产生尖峰电流或电压，当尖峰电流或电压持续时间超过3毫秒时称为电涌。电涌会使回路中的电子设备受到冲击而损坏。安装电涌保护器SPD，能够限制尖峰电压、分流电涌电流、有效防护雷电电磁脉冲入侵。选用SPD必须按照不同雷击电磁脉冲的严重程度和等电位连接点的位置。根据该区域内的电气设备采用相应 SPD，实现与共用接地体等电位连接。遵循靠近被保护设备，接地线就近接地原则安装SPD。根据风力发电系统雷电防护系统的特点，对系统内电子设备采用三级电涌保护。在电源入口部位装设第一级SPD，采用开关型SPD将残压控制在4KV以下。
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，风力发电系统的雷电防护是一项重要的综合工程，本文提出的雷电防护措施，可以为风力发电系统提供全方位雷电防护。但是我们应该清楚的认识到雷电防护措施只能减少雷电带来的损失，并不能完全消除雷击的危险。本文结合风力发电系统各个部分，为工程实践中风力发电系统的雷电防护提供了一定的参考。
参考文献：
[1]孙大鹏，吕跃刚.风力发电机组防雷保护[J].中国电力教育.2008，3：661-663.
论文作者:张月红1,劳洪福1,黄新民2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第7期
论文发表时间:2018/6/25
标签：雷电论文; 防雷论文; 机舱论文; 风电场论文; 系统论文; 风力发电论文; 风电论文; 《电力设备》2018年第7期论文;