王皓 胡軍

摘 ? 要：目前風力發(fā)電機組的高度可超過100m，受地理條件的限制，大多數(shù)風力發(fā)電機修建在沿海或地勢較高的地方，增加了遭受雷擊的風險。遭受雷擊之后的修理費用投入較大，已經(jīng)超過了發(fā)電廠的承受范圍。要想維護風力發(fā)電機組的穩(wěn)定性，應(yīng)從降低雷擊災(zāi)害對其的破壞性入手并進行防護研究。應(yīng)針對發(fā)電機組周圍的環(huán)境狀況的不同，制定相應(yīng)的防雷保護措施，才能有效維護電路的穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：防雷保護 ?維護電路 ?風電機組

中圖分類號：P427 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（b）-0109-02

我國國土面積廣，風能資源十分豐富，風力發(fā)電機組可能處于各種各樣的環(huán)境下。近年來，我國致力于提高中東部和南方地區(qū)陸上風能資源的利用率發(fā)電機組周圍的環(huán)境不同，制定不同的防雷保護措施。

1 ?風電機組的雷擊風險分析

風電機組的外露部分包括葉片、輪轂、機艙、塔架等。葉片作為接收風能的裝置，位于整個機組的最高處，對于整個機組來說至關(guān)重要。輪轂的作用是固定葉片，葉片轉(zhuǎn)動產(chǎn)生動能，通過輪轂傳遞到機艙內(nèi)部。機艙內(nèi)有齒輪箱、發(fā)電機等核心設(shè)備，可以將動能轉(zhuǎn)化為電能供用戶使用。塔架支撐起葉片、輪轂和機艙，通常內(nèi)部是空的，包含許多外接電纜，并且設(shè)有腳手架等通道，供維修人員使用。

產(chǎn)生雷暴現(xiàn)象時，風電機組極易出現(xiàn)接閃的情況。此時風電機組上方積聚了大量的雷云，此時大地會出現(xiàn)感應(yīng)電荷，由于風電機組往往建在高山地區(qū)，處于較為突出的位置，在雷暴環(huán)境中產(chǎn)生一個極不均勻的電場極，并伴有尖端放電現(xiàn)象。強力的電流擊穿風力發(fā)電機與雷云間的游離空氣，極易發(fā)生回閃放電現(xiàn)象，風力發(fā)電機作為導(dǎo)體，將雷電流引入大地。

1.1 雷擊危害

風電機組遭受雷擊時，會導(dǎo)致其劇烈的放電，嚴重損壞風電機組設(shè)備。雷擊災(zāi)害包括兩種類型：直擊雷和間接雷擊。直擊雷會產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機械效應(yīng)，破壞風電機組的正常運行;間接雷擊是人們通常所說的二次雷擊，產(chǎn)生的雷電感應(yīng)會造成嚴重破壞，包括靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)和雷電反擊。

1.1.1 直擊雷對風電機組的危害

若物體直接遭受到雷擊，會在一瞬間接收到十分強大的電流，在雷擊點某個范圍內(nèi)，電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)導(dǎo)致溫度驟然上升，其熱量足以融化金屬。風力發(fā)電機組遭受雷擊時，會將雷電流引入大地，由于雷電流具有高幅值的特性，雷擊點的溫度在短時間內(nèi)大幅度上升，且無法做到迅速冷卻，極有可能融化損毀風力發(fā)電機的裝置，此時機艙內(nèi)產(chǎn)生大量水汽并迅速膨脹，嚴重時可能導(dǎo)致發(fā)電機爆炸，給發(fā)電廠造成巨大的損失。

1.1.2 間接雷擊的危害

靜電感應(yīng)對風電機組的危害。雷云聚集時，風力發(fā)電機的外殼會附著許多感應(yīng)電荷，產(chǎn)生雷暴現(xiàn)象的過程中，先導(dǎo)通道中的電荷與地表電性相反的電荷發(fā)生碰撞，從而中和了風力發(fā)電機的電性，感應(yīng)電荷沒有了約束，變成能自由移動的電荷。自由電荷處于游離狀態(tài)，沒有固定的移動方向，不能在短時間內(nèi)離開發(fā)電機，會在局部產(chǎn)生較大的電位差。自由電荷經(jīng)過風塔被引入大地的過程中，由于高電壓的產(chǎn)生，在某些接觸不良的金屬部件之間會引起電火花，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障，并且存在火災(zāi)隱患。

1.1.3 電磁感應(yīng)對風電機組的危害。

雷擊災(zāi)害發(fā)生時，風塔將雷電流引入大地，風塔內(nèi)部會形成一個強大的暫態(tài)脈沖磁場。由電磁感應(yīng)定律可知，周圍的設(shè)備受脈沖磁場的影響，會出現(xiàn)過電壓和過電流，導(dǎo)致風塔內(nèi)的電子設(shè)備出現(xiàn)故障，無法進行操作。

1.1.4 雷電反擊對風電機組的危害。

發(fā)電機組與附近設(shè)備共用一套接地體，雷電擊中風電機組時，接地體中有強大的雷電流通過，電位也隨之升高。雷電反擊現(xiàn)象會導(dǎo)致多個金屬體之間出現(xiàn)連鎖反應(yīng)，對設(shè)備甚至人身安全造成嚴重威脅。暫態(tài)電位升高使接地體周圍土壤的電壓下降，地面的不同兩點之間出現(xiàn)電位差，電位差增大到一定程度時，若有人員經(jīng)過時可能發(fā)生跨步電壓和接觸電壓觸電，存在巨大的安全隱患。

2 ?風電場防雷保護措施研究

現(xiàn)代防雷技術(shù)強調(diào)保護措施的全面性，針對防雷擊過電壓，需要制定一套系統(tǒng)的防護方案，進行多層保護，綜合考慮實際情況，利用接閃、引下、分流、接地等方式，為瞬間通過的脈沖電流提供一條路徑，防止雷電流對磁場和電場進行干擾，避免電子設(shè)備遭受破壞。風電機組可以使用以下方法進行防雷擊保護。

2.1 對直擊雷的防護措施

2.1.1 接閃

風力發(fā)電機的葉片往往處于整個發(fā)動機最高的位置，最有可能成為雷擊點。制定風力發(fā)電機的直擊雷防護措施時，往往直接將葉片作為接閃器，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，目前風力發(fā)電機的葉片多選用復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)是中空的，發(fā)生雷擊現(xiàn)象時，會燒毀雷擊點周圍的金屬配件，葉片遭到損毀，且容易在內(nèi)部產(chǎn)生電弧，使葉片受到嚴重的破壞。因此將葉片作為接閃器時，必須將雷電流導(dǎo)向輪轂，選擇傳導(dǎo)能力良好的材料至關(guān)重要，可以使用傳導(dǎo)材料制造葉片，或在其表面固定金屬導(dǎo)體。風力發(fā)電機的機艙設(shè)有發(fā)電機和控制系統(tǒng)，當其受到雷擊時，可能直接導(dǎo)致風電機組癱瘓，解決辦法是在機艙上部放置接閃桿，位置必須比風向儀高，降低直擊雷毀壞發(fā)電機的風險。

2.1.2 接地

接地在風力發(fā)電機防雷保護措施中至關(guān)重要。風電場所處位置多為山區(qū)高地，存在土層結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變和土壤垂直分層的情況，大大增加了土壤的電阻率，必須科學設(shè)置接地網(wǎng)。施工過程中要適當?shù)負Q土，采用降阻劑，加大接地體埋深等，接地體的埋入地點必須滿足電阻率低的要求，確保將電流順利引入大地。

2.2 對雷電感應(yīng)的防護措施

2.2.1 過電壓保護

雷電擊中發(fā)電機時，會在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生較強的電壓電流，過電壓保護是在一定區(qū)域范圍內(nèi)，確保導(dǎo)電部件之間的電位處于相同水平，以電源傳輸線作為通道，將雷電流迅速引入大地。在風機和箱變的電源傳輸線、信號傳輸線的關(guān)鍵部位，以及敏感設(shè)備的接口處，都要求配置電涌保護器，采用層層防護，抑制過電壓的形成，使雷電流在瞬間快速通過，保護設(shè)備不受損壞。

2.2.2 等電位聯(lián)結(jié)

等電位聯(lián)結(jié)具有均壓屏蔽的功能，其原理是建立金屬的法拉第籠，保護風力發(fā)電機組內(nèi)部的設(shè)備，雷擊現(xiàn)象會使設(shè)備之間產(chǎn)生電位差，等電位聯(lián)結(jié)能夠使電位恢復(fù)平衡并削弱機組內(nèi)部的磁場強度。發(fā)電機內(nèi)部的重要組件之間應(yīng)建立等電位聯(lián)結(jié)，例如主軸承、齒輪箱以及發(fā)電機等。

2.2.3 設(shè)置合理的警示標識

風力發(fā)電機組大多遠離市區(qū)，處于無人出沒的野外山區(qū)，風塔、升壓站接閃桿等位置容易產(chǎn)生接觸電壓和跨步電壓，有必要在附近設(shè)立警示牌，提醒經(jīng)過的人員保持安全距離，避免發(fā)生觸電事故。野外作業(yè)時必須明確天氣信息，做好防護措施，禁止在雷電環(huán)境中操作。

3 ?結(jié)語

科學技術(shù)在不斷地發(fā)展，隨著風電機組高度的增加，配置的設(shè)備價格也越高，雷擊災(zāi)害為風電機組帶來的損失不容小覷。風電場往往處于地勢較高的山頂，土壤電阻率大，對雷電流的引流造成阻礙，增加了雷擊對其造成毀壞的可能性。各個季節(jié)都有可能發(fā)生雷電活動，其中夏季是雷電的高發(fā)時段，且雷電的破壞性較強，應(yīng)做好防護措施。雷擊分為直擊雷和間接雷擊，都會對風力發(fā)電機組造成損壞，對風力發(fā)電機組的防護應(yīng)從這兩方面入手。確保接閃和接地的有效性，為雷電流提供最短最快的路徑，使其快速脫離風電機組;過電壓保護和等電位聯(lián)結(jié)可以避免感應(yīng)雷對發(fā)電機組造成破壞，維護機組內(nèi)部設(shè)備的穩(wěn)定運行;風電場周圍設(shè)立警示牌，工作人員規(guī)范操作，確保人身安全。結(jié)合風電場周圍的自然環(huán)境，分析雷電活動的分布規(guī)律，對雷擊災(zāi)害進行預(yù)判，根據(jù)當?shù)仫L電場的特點制定防雷保護措施，為其他陸地風電場的雷擊風險分析、防雷設(shè)計方案等提供參考案例。

參考文獻

[1] 林旭東，許乾杰，陳英俊.雷電防護接地電阻降低方法及應(yīng)用探討[J].通信電源技術(shù)，2019，36（5）：163-164.

[2] 孫月，全秋浩，馬云飛，等.氣象信息系統(tǒng)雷電防護常見問題的解決方法[J].吉林農(nóng)業(yè)，2019（10）：106.