高鵬　沙莎

摘 要 風(fēng)力發(fā)電作為一種新型能源，正在受到越來越多的應(yīng)用。而與風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行直接相關(guān)的防雷問題也就十分突出了。本文闡述了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雷電綜合防護(hù)的具體要求，并給出相對(duì)的綜合防護(hù)設(shè)計(jì)方案和一些看法，這對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的防雷工作有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)電 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 接地

1 風(fēng)電防雷概述

風(fēng)電機(jī)組安裝數(shù)量的增多以及高度的增加使得雷擊破壞發(fā)生率比預(yù)期的有所擴(kuò)大，維修費(fèi)用已達(dá)到不可接受的水平。與這些設(shè)施不同，風(fēng)電機(jī)組因其實(shí)際尺寸和性質(zhì)上的特點(diǎn)，風(fēng)電機(jī)組有兩個(gè)或三個(gè)直徑達(dá)百米以上的葉片，葉片在地面之上百米處旋轉(zhuǎn)。

2 設(shè)計(jì)思想及指導(dǎo)原則

嚴(yán)格按照國(guó)家法律法規(guī)以及防雷規(guī)范的規(guī)定該工程的重要性、特殊性、所處地區(qū)的雷暴日出發(fā)，遵循安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的原則，進(jìn)行全面綜合系統(tǒng)的防護(hù)。

3 數(shù)據(jù)勘測(cè)及結(jié)論

3.1 環(huán)境狀況

內(nèi)蒙古突泉九龍風(fēng)電場(chǎng)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟突泉縣境內(nèi)，風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址位于突泉縣東北約30km處。場(chǎng)址處為地勢(shì)起伏平緩的山丘地帶，本期工程規(guī)劃場(chǎng)區(qū)內(nèi)，形地貌屬低緩丘陵區(qū)，山脊走向近似呈南北向，中部有幾處平緩的山丘，在場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)地勢(shì)逐漸升高。

3.2 勘測(cè)結(jié)論

按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010：“國(guó)家級(jí)計(jì)算中心、國(guó)際通訊樞紐等對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有重要意義且裝有大量電子設(shè)備的建筑物”規(guī)定，內(nèi)蒙古突泉九龍風(fēng)電場(chǎng)為第二類防雷建筑物。

4 雷電環(huán)境評(píng)估

4.1 雷暴日分區(qū)

經(jīng)資料查詢內(nèi)蒙古突泉九龍得該區(qū)Td=31.4d/a，此值介于20～40之間所以確定該建筑物位于多雷區(qū)。

4.2 評(píng)估風(fēng)電機(jī)組雷擊頻率

雷擊風(fēng)險(xiǎn)分析的第一步是評(píng)估雷擊頻率。IEC 61024-1-1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)如何估計(jì)雷擊頻率給出指導(dǎo)意見。在評(píng)定一建筑物的受雷擊頻率時(shí)，有必要收集局部地面落雷密度（Ng）的詳細(xì)信息。國(guó)家組織機(jī)構(gòu)可能能提供這樣的信息。若無法獲得地面落雷密度，可使用以下關(guān)系式估計(jì)：

Nd=Ng×Ad×Cd×10-6 （1）

式中：Nd ：表示建筑物直擊雷年平均數(shù)；Ng ：表示地面落雷密度年平均數(shù)；Ad ：表示建筑物直擊雷等值受雷面積；Cd：是環(huán)境系數(shù)。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組位于平地時(shí)，Cd：大約為1，位于山地或小丘時(shí)，Cd：大約為2。

4.3 IEC61024-1-1標(biāo)準(zhǔn)

IEC 61024-1-1規(guī)定嚴(yán)重事件年容許數(shù)量（Nc）必須大于或等于建筑物直擊雷年平均數(shù)量（Nd）與1減去防雷保護(hù)系統(tǒng)效率的差（1-E）的乘積.

Nc ≥Nd × （1-E） （2）

式中，E 表示防雷保護(hù)系統(tǒng)效率；Nd 表示建筑物直擊雷年平均數(shù)；Nc 表示嚴(yán)重事件的年容許數(shù)量；

E ≥1-Nc/Nd （3）

所需要的防雷保護(hù)系統(tǒng)效率即求得。

E ≥1–Nc/Nd，E ≥（1–10-3/0.046） × 100% （4）

E ≥97.8%

即該地點(diǎn)需要的防雷保護(hù)系統(tǒng)效率為97.8%，根據(jù)規(guī)定需安裝B級(jí)防雷保護(hù)系統(tǒng)。

5 設(shè)計(jì)方案

5.1 接閃器

利用風(fēng)電機(jī)組葉片作為接閃器，接閃器將雷電流引入并且能夠傳導(dǎo)全部的雷電流；另外，接閃器必須具備一定尺寸以便牢固地固定在葉片表面，鋁的橫截面為70mm2；機(jī)艙頂端敷設(shè)一圈環(huán)形的避雷帶；在機(jī)艙蓋后緣安裝避雷針，避雷針高1.5m與避雷帶相互連接。

5.2 引下線

利用風(fēng)電機(jī)組葉片中金屬網(wǎng)格、鋼絲及電機(jī)組葉片的邊角作為引下線，起引下線作用的葉片表面金屬導(dǎo)體必須有足夠斷面才能經(jīng)受住直擊雷，并傳導(dǎo)全部的雷電流。內(nèi)部引下線系統(tǒng)：導(dǎo)體放置在葉片表面是將雷電導(dǎo)體放置在葉片內(nèi)部。導(dǎo)體的金屬固定裝置穿過葉片表面起離散的雷電接閃器作用。目前生產(chǎn)的許多葉片使用這種防雷保護(hù)系統(tǒng)，離散的雷電接閃器安裝在葉片尖端。內(nèi)部引下線系統(tǒng)將雷電流從位于葉尖的接閃器引到葉片根部；在由葉片根部與塔桶內(nèi)部圓鋼引下Φ25mm線相互連接。

5.3 雷電波侵入

5.3.1 電力電纜

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電力電纜線路上應(yīng)穿金屬管道敷設(shè)，在進(jìn)入風(fēng)機(jī)機(jī)組與工作接地連接，進(jìn)入箱變處裝電源浪涌保護(hù)器接地端直接接于設(shè)備的金屬外殼上一并接至等電位接地端子板上；風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)部有輪轂與箱變電纜線需進(jìn)行連接，在連接方式應(yīng)穿鋼管敷設(shè)，這樣減少了雷電波侵入對(duì)設(shè)備造成危害，同時(shí)在與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組保持電氣連通。

5.3.2 信號(hào)電纜

風(fēng)力發(fā)電信號(hào)線路纜線路上應(yīng)穿金屬管道敷設(shè)，在進(jìn)入風(fēng)機(jī)機(jī)組與工作接地連接，進(jìn)入箱變處裝信號(hào)浪涌保護(hù)器接地端直接接于設(shè)備的金屬外殼上一并接至等電位接地端子板上；有箱變引入塔筒時(shí)需埋地穿鋼管進(jìn)入，做為屏蔽措施；同時(shí)光纖傳輸保持光纖芯處進(jìn)行良好接地一次。

5.3.3 等電位連接

以敷設(shè)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的一圈水平接地體作為總等電位接地端子板，以及在箱變基礎(chǔ)的一圈水平接地體作總等電位連接端子板，最后風(fēng)機(jī)與箱變采用熱鍍鋅扁鋼相互連接，設(shè)置在風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部子上，材料均為銅制并相互連接。采用多股絕緣銅導(dǎo)線從箱變處等電位接地端子板引至風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)預(yù)留的等電位連接。在臨近的兩個(gè)控制箱處采用熱鍍鋅扁鋼60*6相互連接，這些等電位連接可在雷擊時(shí)提供接觸電壓與跨步電壓防護(hù)。

5.4 屏蔽

機(jī)艙應(yīng)設(shè)計(jì)為一個(gè)封閉的金屬屏蔽體。在機(jī)艙內(nèi)，相對(duì)于外部它的電磁場(chǎng)應(yīng)得到極大的衰減。機(jī)艙中的，以及可能存在于在操作間中的開關(guān)柜和控制柜，都應(yīng)由金屬制成。與其相連接的電纜也應(yīng)配備相應(yīng)的外部連接和屏蔽，并具有雷電流承載能力。此例給出了當(dāng)電纜以距離變速箱或發(fā)電機(jī)，近30mm方式布線時(shí)的預(yù)期電壓幅值。這個(gè)電流很大，di/dt值也很高，但電纜保護(hù)層與管道的保護(hù)效果明顯。

作者單位

1.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院氣象系 甘肅省蘭州市 730000

2.中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所 甘肅省蘭州市 730020