（湛江市气象局 广东湛江 524001）
摘要：随着世界各国对能源安全的日益重视，加快风力发电技术发展已成为国际社会在推动能源转型发展的共同认识和一致行动。分析影响沿海地区风力发电机组防雷装置的因素，考虑沿海地区风力发电机组遭受雷击损害的特殊性，结合沿海地区风力发电机组的地理位置、地质条件、机组结构特点和施工工艺等因素针对性地提出沿海地区关于风力发电机组防雷需要加强的措施。
关键词：沿海地区；风力发电机组；防雷；措施
引言
风能是由空气流动所产生的动能，是一种清洁安全的可再生能源。随着风力发电技术的发展，电力市场化改革持续推进，风电机组容量不断增大，实现可再生能源产业能够持续健康有序发展，近海风电技术、新型结构和材料、直接驱动技术、变桨变速恒频发电技术成为世界风电机组技术发展的新方向[1]。截止2017年底，我国风电机组并网累计容量达163.67GW。全球风电新增装机容量约52.6GW，累计装机容量达到约539.6GW，其中全球累计海上风电容量达到18.81GW[2]。
面对突飞猛进的风力发电技术，如何提高风力发电机组的雷电防护水平[3]，完善风电技术标准体系，是保障安全生产的重要途径之一。
1风力发电机组的发展
内陆地区风电场的建设需要占用大量的土地资源，噪音会给周围居民带来生活不便，所处位置与用电负荷中心距离较远等问题逐渐显露出来。在不断降低风力发电成本和扩大可经济利用的风能资源量的目标驱动下，风力发电机组技术正不断向沿海地区风力发电机组发展。
沿海地区风速比较平稳，平均风速高，风切变小和风向改变频率低，风机可利用率更高。同时，还可以利用沿海得天独厚的广阔空间和丰富的风能资源进行规模化生产，装单机发电容量更大的风机来降低风力发电的成本。
2与内陆相比影响沿海地区风力发电机组防雷装置的其他重要因素
一般来说，沿海地区风力发电机组的自然环境相对于内陆地区风力发电机组更加恶劣。我国沿海地区是台风密集登陆地区之一[4]，强对流天气比较多、空气相对湿润，容易形成对地闪击，对风力发电机组存在较大的危害。沿海地区空气中含盐分高，对风力发电机组的防雷装置很容易产生腐蚀。
目前还由于沿海地区风力发电机组所在地大多为沿海荒地或滩涂，所处地理位置相对偏远落后、经济欠发达，所面临的是高成本、较复杂的环境，因此在风力发电机组新建时电力配套措施和防雷装置都需要较高的可靠性，否则其后期运行遇到问题，维护非常麻烦。考虑到沿海地区的特殊性，与内陆相比影响风力发电机组防雷装置的主要因素为：
A）风力强度——风力对叶片（接闪器）及机舱外附加的接闪器所造成的损害[5]；
B）雷暴活动——雷击对风力发电机组防雷装置所造成的损害[6]；
C）腐蚀性——海水的腐蚀性对接地装置和引下线所造成的损害[7]。
因此沿海地区风力发电机组需在这几个方面另外加强雷电防护措施。
3不同因素对沿海地区风力发电机组防雷装置的影响分析及对策
3.1风力强度
沿海地区是台风活动最为活跃的地方，每年因台风受损的防雷装置较多。定量描述风能特性，根据风力发电机组所处位置的风力等级，确定平均风速，依照IEC标准进行模拟和分析风况。计算某一等级风速时，其关系式为：
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根据上述公式看出，风力等级越大，风速越大，对外露的防雷装置影响越严重。
考虑风力发电机组所在地理位置、环境因素、雷电活动规律和系统设备的重要性，叶片通过装设接闪器、引下线以及连接元件组成雷电防护系统，将雷电流安全地从雷击点传导到轮毂上，它可为叶片结构本身的一部分、叶片的组件或集成在其内部。机舱及其它结构组件（轮毂、轮毂罩、舱体、塔架）的雷电防护多利用其本身的金属结构作为接闪器、引下线及等电位连接系统的一部分[8]。所有接闪器及引下线应充分考虑抗风因素，机舱外的气象仪器和航空警示灯安装附加的接闪器，接闪器最小截面积不应小于200mm²，直径不应小于16mm。
3.2 雷暴活动
随着单台风力发电机组发电容量的增加，风机轮毂高度和叶片长度不断提高，总高度甚至超过150m，处在空旷的野外，相对容易遭受雷击。此外，风力发电机组大多数是由绝缘复合材料制成的大型中空结构，如玻璃纤维增强复合材料、木材、复合木板和碳纤维增强塑料作为承载部件[9]。研究表明，上行雷的比例随着高度增加而增加，当高度超过100m，雷击的概率显著提高[10]。沿海地区的雷暴活动相对内陆地区更加频繁。
雷电击中风叶或机舱及其它结构组件（轮毂、轮毂罩、舱体、塔架）后，除了热效应之外，还会产生瞬态过电压。瞬态过电压具有很强的冲击特性，在泄放过程中会产生雷电电磁脉冲，其破坏作用与雷电流波形的陡度密切相关，波形的陡度越大感应电压就越高[11]。据统计，80%以上[12]是雷电流泄放入地的过程中引起地网电压升高，在接地系统中各接地点间产生很大的电位差，对自动化设备造成干扰，轻则影响正常运行，严重的则会引起设备损坏。
采用外部防雷装置和内部防雷装置进行综合雷电防护，是风力发电机组达到预期防雷效果的重要途径。按要求布设接闪器、引下线、接地装置和安装SPD外，为防止导线出现感应过电压，应减小通过回路变化的变化磁场和减小回路的面积，可选择使用双绞线或屏蔽措施，将屏蔽层、金属管、线槽的两端接地，对感应或电磁耦合进行防护。电力线路、电气设备、控制柜外壳及次级回路之间的绝缘电阻应大于1MΩ。采取新技术，加强对雷电预警技术和报警信号的应用，利用大气电场仪监测风力发电机组附近的大气电场强度，当到达一定强度引起报警时，应及时启动安全工作程序，最大限度减少雷电可能造成的影响。
3.3 腐蚀性
风力发电机组在承受水动力、空气动力双重载荷作用下，常用的基础类型包括混凝土沉降基础、重力+钢筋基础、单桩基础、多脚架基础、吸盘式深海基础和浮体式基础等。在风力发电机组防雷装置设计的过程中，为节省材料，减少工作量，通常采用建（构）筑物的钢筋混凝土基础作为自然接地体。
一般情况下，钢筋混凝土基础里的水泥经过水解会产生Ca(OH)2，可Ca(OH)2的pH值高达12.5～13.5，从而导致混凝土呈高碱性，在Fe的表面发生了钝化反应，生成γ-Fe2O3保护膜[13]。但在沿海地区，Cl- 会透过混凝土侵入并损坏钢筋表面的钝化膜，导致钢筋容易受到腐蚀。
风力发电机组接地装置的防腐目的是确保接地装置在寿命内不发生破坏性的腐蚀。目前抑制钢筋的腐蚀主要有增加混凝土的保护厚度、涂覆防渗层、实施阴极保护技术、选取具有耐蚀涂层的钢筋、加入防腐阻锈剂（亚硝酸钠）等技术和方法。
沿海地区的钢筋腐蚀是一种电化学腐蚀[14]，接地体在具有长期的机械强度的前提下，还应采用阴极保护系统来增加耐腐蚀性，以达到保护接地装置的效果。裸露的专用引下线以及连接线应涂沥青漆，严禁选在低洼的地面上，防止发生全浸区腐蚀，并每年进行检查和维护。采用牺牲阳极的阴极保护系统，应定期检查阳极溶解状况并做好记录，同时应每年进行一次电位测量。
4 结语
沿海地区风力发电机组的雷电防护系统除应满足现行标准要求外，应根据沿海地区的特殊性采取加强防御措施:
1) 容易遭受台风的影响，宜增大防雷装置材料的尺寸。
2) 雷暴活动相对较多的地区，在采用外部防雷和内部防雷措施进行综合防护的前提下还应加强对雷电预警技术和报警信号的应用。
3) 考虑容易腐蚀的问题，宜采用阴极保护系统，并定期进行维护。
参考文献：
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论文作者:李钢,李绍震,杨春凤
论文发表刊物:《电力设备》2019年第23期
论文发表时间:2020/5/6