山區風力發電場防雷技術分析

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摘要：針對廣寧特殊的地質環境，闡述山區各類風力發電場的直擊雷安全防護、側擊雷安全防護、風機接地、等電位連接等各種綜合性的防雷安全技術措施，從而提高山區風力發電場抗雷電災害的能力。

關鍵詞：風力發電，綜合防雷，山區

引言

近年來風力發電機組逐年增加，在國內對風力發電防雷方面的研究有曾勇等研究貴州山地風力發電機雷擊電磁環境[1]；韓建海等研究山區風力發電機組防雷技術[2]；李春輝研究通遼地區風力發電機組綜合防雷以及鄧利科等研究連州風力發電場防雷接地等。但上述研究都是根據當地的地質環境和雷電特征進行分析防雷技術，并不適用于廣寧特殊地質環境中的山區風力發電場的綜合防雷，因此本研究針對本地地形環境等因素分析研究適用于廣寧特殊地形的風力發電機組的防雷設計，為廣寧風力發電機組整機防雷設計奠定基礎。

1廣寧風力發電場地質環境

廣寧風力發電場地區地貌單元屬綏江中游谷地，綏江自西北蜿蜒方向向東南傾斜匯入廣寧縣境,形成了兩邊中部平原坡度高中間低的縱向傾斜斜坡地形。該項目的具體地質地理結構按照巖性巖體類型可分為淺變質含云母砂巖，板巖和砂質板巖，石英砂巖以及硅質巖等，分水嶺寬厚，兩巖巖體由透水性弱的板巖和砂巖組成。風力發電場位于孤立空曠山脊上，遠離人群居住地以及電力線纜，遠離電網負荷區域，聯網線路長、控制系統復雜，容易遭受雷擊，遭受雷擊造成的損失較大。

2廣寧風力發電場土壤電阻率

土壤電阻率的數值與土壤的結構，土質的緊密度、濕度、溫度等，以及土壤中含有可溶性的電解質有關。本次測量所用儀表為zc29B-2接地電阻測試儀，分別取接地極間距離a＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10m。根據原理公式：ρ＝2π×a×R計算出土壤電阻率。其中：a測量時儀表接地極間距，單位m；R接地極接地電阻值，單位：Ω。土壤電阻率測試應避免在雨后或雪后立即進行，一般宜在連續天晴3天后或在干燥季節進行。采集前三天天氣晴朗，采集當日天氣晴朗，場地土壤表層較干燥。場地原是背斜、向斜的低山地，地質條件較穩定，場地以剝蝕低山為主，山地已鏟平，低洼處已填沙石，且已壓平。土壤電阻率ρ值見表1。本項目各風機土壤電阻率范圍389～1282Ω•m，土壤電阻率數值平均值883Ω•m。

3土壤電阻率與雷電放電之間的關系

李樹晨研究的大地電阻率與雷電放電之間的關系中得出雷電流幅值的大小與土壤電阻率的大小成減函數關系。也就是說土壤電阻越高，則雷電流幅值越小；土壤電阻越低，則雷電流幅值越大。根據表1土壤電阻率測量數據可知風力發電場的土壤電阻率及其不均勻，而雷電對地放電具有一定的選擇性，土壤電阻率小較低的地方易受閃擊（大地表面突出部位易受閃擊）。根據現場勘查報告以及測量數據，廣寧風力發電場地勢高的區域土壤電阻高、地勢低的區域土壤電阻率低，因此風力發電場的雷電環境處于相對穩定的狀態。

4綜合防雷措施

根據風力發電場的使用性質、重要性以及發生雷電事故的可能性和后果，依據GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》和雷擊風險評估，將風力發電場劃分為第二類防雷建筑物。（1）直接雷防護。風力發電機由機頭、轉體、尾翼、葉片組成。其中葉片作為風力發電機組中位置最高的部件及最易接閃的部位，要做好葉片的防雷措施尤為重要，李天密指出目前對葉片上防雷裝置布置問題、泄流問題還沒有很完善的解決方案，需進一步研究。葉片上有一層厚厚的絕緣層，面對年度最強的電閃103～104kA雷電流，葉片的完全絕緣并不能降低雷擊風險，反而只能增加受損傷的程度，很多情況下雷擊的位置在葉尖的背面。為了降低風電機組直接接閃的概率，減少因雷電閃擊帶來的風險，風力發電機組的防雷設計采取“區域防雷”與“單體防雷”相結合的雷電防護措施進行設計。區域防雷主要考慮針對風力發電場整個區域進行防雷設計，采用雙針保護進行設計。廣寧風力發電場共有風機15臺，風機凈高80m，根據15臺風機的地理位置、地形情況、磁場環境以及最佳成本等情況在整個風機場內設置數個獨立避雷塔，采用雙針保護的方法，讓每個風力發電機都在避雷塔的范圍內，這樣可有效降低風機被直接雷擊的概率，從而達到防御的目的。其次針對風機本身，在葉片上敷設熱鍍鋅扁鋼作為接閃器，依據GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》，圍繞機身一圈表面敷設2條以上熱鍍鋅扁鋼作為引下線，并將葉片背面的熱鍍鋅扁鋼與引下線可靠連接，引下線與接地裝置可靠連接，當遇到側擊雷剛好擊中風機時，可將大部分電流通過葉片上的接閃器、機身上的引下線、接地網有效引入大地，達到泄流的作用。（2）接地系統。廣寧風力發電場15臺風機和機組共用一個接地網，利用風機塔基其本身的鋼筋混凝土做自然接地體，并沿著基礎另外做環形接地網。將塔基鋼筋混凝土與環形接地網相連接，部分土壤電阻率較大的風機機位可采用換置土，外引接地網，外引接地線，增加離子接地模塊和離子棒等方式降低接地電阻至4Ω。水平接地體采用-60mm×6扁鋼，垂直接地體采用L63mm×63mm×6角鋼。接地網溝槽深0.8m，寬0.5m垂直接地體的頂端在溝槽底部與水平接地體連接。風機與風機外接地環連接點至箱變與箱變外接地網連接點之間，沿接地體長度大于15m。（3）等電位連接。等電位相互連接的目標就是為了有效防止和減少在設備與系統之間,系統和操作者之間可能發生危險的電位差,確保設備及操作人員的安全。但是,對于一個不恰當的等電位接地,不但使設備無法實現應用目標,而且很可能還會將一些受到雷擊影響的電流導致輸入或者傳遞到設備中,造成對該設備的嚴重傷害。根據各類風電機組使用情況和特點,其等電位的連接主要由以下幾個部分構成：機艙等電位,塔筒底部等電位。①機艙等電位連接。在大型應用風力發電大型發動機組的風力引擎室和風力發動機艙內為了能夠使兩個用戶之間能夠同時連接形成一個可靠的低和高電位接地系統,就分別設置了一個用于等效低和高電位接地系統的連接端子板。等驅動電位接地系統與一個端子板互相串聯連接安裝到整個整體機艙內所有金屬電子元件端的底座中。可以用于整個整體機艙內各種類型通用電氣電路設備的整個金屬外殼、機柜、機架、金屬元件的導管、槽、屏蔽板等層和通用電源接地連接器等線纜的整個金屬屏蔽層、Spd的電源接地端、機艙內的電源接地線和整個整體機艙內的等驅動電位接地端子板相互連接;用于風力發電廠的機組通風葉片的靜電防雷保護裝置需要引入以下線路就是通過一個等驅動電位端的接地線與端子板相連接安裝在整個機艙的元件底座上。②塔筒底部等電位連接。塔筒底部設置了總等位連接端子板,并通過鍍鋅扁鋼與風力發電場的環形接地網進行可靠連接,連接方式采用雙面焊,焊接長度6cm。塔筒底部各種類型金屬裝置、金屬接線管、槽、機柜金屬外殼、線纜屏蔽層等需就近與總等位連接端子板等電位連接。

5結語

雷電災害已經逐漸形成了自然界中對于整個風力發電場的風機機組安全以及運行狀況危害最大的一種自然災害。因此做好風力發電機場的雷電防御對風電場的運行維護、管理等有重要的作用。

參考文獻

[1]曾勇,劉波,吳安坤,吳仕軍,張淑霞.貴州山地風力發電機雷擊電磁環境研究[J].電瓷避雷器,2017(04):56-62.

[2]楊文斌,周浩.風電機組過電壓保護與防雷接地設計[J].高電壓技術,2008(10):2081-2085.

作者：潘仕虎 肖文娟 單位：廣寧縣氣象局