淺談風力發(fā)電機組防雷技術

徐愷+劉志雄+楊玉輝

摘 要：根據突泉縣氣象局1981年至2010年30年整編資料顯示（北緯N45°22′53″、東經E121°35′05″、海拔高度311.7米）：突泉縣年平均風速4.4米/秒，全年風向以西北風為主，風力資源非常。近年來，隨著風力資源的不斷開發(fā)利用，突泉縣風力發(fā)電機組的安裝數量呈上升趨勢。突泉縣屬半干旱大陸性季風氣候，雨熱同季，年平均雷暴日數為30.1天，運行中的風力發(fā)電機組，易遭受雷擊導致設備損壞甚至危及人身安全。本文根據目前國內外防雷研究領域成果，通過闡述內蒙古突泉縣風力發(fā)電機組的外部和內部防雷技術指出：要改善風力發(fā)電機防雷性能狀況必須從設計、施工質量、綜合防護等根本環(huán)節(jié)著入手，使風力發(fā)電機組雷電防護做到科學、有效、安全、經濟。

關鍵詞：風力；發(fā)電機組；結構；防雷技術

一、雷擊對風力發(fā)電機組造成危害的方式

1.直擊雷

雷云之間或雷云對地面某一點（包括建筑物、構架、樹木、動植物等）的迅猛放電現象稱之為直接雷擊，實質上就是自然界的靜電放電現象，其迅猛放電的大電流很容易產生電效應、熱效應和機械力，它因電效應、熱效應、和機械力效應等造成物體損壞和人員傷亡。雷電擊中人體、建筑物或設備時，強大的雷電流轉變成熱能。雷擊放電的電量大約為25～100C。據此估算，雷擊點的發(fā)熱量大約500～200mm3的鋼材。因此雷電流的高溫熱效應將灼傷人體，引起建筑物燃燒，使設備部件熔化。在雷電流流過的通道上，物體水分受熱汽化而劇烈膨脹，產生強大的沖擊性機械力。該機械力可達5000～6000N。因此可以使人體組織、建筑物結構、設備部件等斷裂破碎，從而導致人員傷亡、建筑物破壞以及設備毀壞等。

2.雷電感應

感應雷的破壞也稱為二次破壞。雷電流變化梯度很大，會產生強大的交變磁場，使得周圍的金屬構件產生感應電流，這種電流可能向周圍物體放電，如附近有可燃物就會引發(fā)火災和爆炸，而感應到正在聯機的導線上就會對設備產生強烈的破壞性。感應雷可通過兩種不同的感應方式侵入導體，一種是靜電感應；另一種是電磁感應。研究表明：靜電感應方式引起的浪涌數倍于電磁感應引起的浪涌。由于電力電纜的距離長且對雷電波的傳輸損耗小，所以由電源侵入的感應雷造成的危害十分突出。同時，感應雷還可以通過空間感應侵入電氣設備內部線路，雖然經過建筑物和機殼的屏蔽衰減后其能量大為減小，但站內許多電氣設備的抗過壓能力也很弱。據調查靜電感應引發(fā)的雷擊事故占總體的80%。

3.雷擊電磁脈沖

作為干擾源的直接雷擊和附近雷擊所引起的效應，絕大多數是通過連接導體的干擾，如雷電流或部分雷電流、被雷擊中的裝置的電位升高以及磁輻射干擾，經感應耦合、容性耦合或電磁輻射產生脈沖過電壓和過電流損壞有關設備。隨著科學技術的發(fā)展，大量采用微電子技術的、先進的計算機信息系統、監(jiān)控、通信等網絡日益廣泛地應用于各種建筑物中，而微電子設備的高度集成化、低工作電平和小工作電流的特點，又帶來絕緣強度低，耐過電壓、過電流的能力差等致命弱點。

4.地電位反擊

當設備沒有采取等電位接地措施的情況下，由于接地系統本身的接地途徑不同，沖擊接地電阻差異，以及在泄放雷擊電流時，所通過的雷擊電流存在差異，導致地電位升高和不平衡，當地電位差超過設備的抗電強度時，即引起反擊，損壞設備。

二、風力發(fā)電機組的防雷環(huán)境特點

風機安裝位置處于野外空曠的平地，大型風機葉片高點（輪轂高度加風輪半徑）最高可達150m，易受雷擊；由于風機內部結構非常緊湊，無論葉片、機艙還是塔架受到雷擊，機艙內的電控系統等設備都有可能受到機艙的高電位反擊。風力發(fā)電機組的電氣絕緣低（發(fā)電機電壓690 V、大量使用自動化控制和通信元件）。暴露的位置及本身的高度決定了它極易遭雷擊的危險?？梢哉f防雷其環(huán)境極其惡劣。尤于處于曠野之中高聳物體都不可能完全避免雷擊，所以對于風力發(fā)電機組防雷技術而言，重點應放在遭受雷擊時如何迅速將雷電流引入大地，盡可能地減少導入設備的電流，最大限度地保障設備和人員的安全，使損失降低到最小的程度。

1.雷擊后果的嚴重性

風力發(fā)電機組是整個風電場的貴重設備，若遭受雷擊（特別是葉片和發(fā)電機貴重部件遭受雷擊），會造成風機葉片爆裂、電氣絕緣擊穿、自動化控制和通信元件燒毀等危害。所以，雷電災害是威脅風電機組安全經濟運行的嚴重問題。

2.雷電保護區(qū)域的劃分（見圖1）

（1）雷電保護區(qū)LPZOA。

該區(qū)內的各物體都可能遭受直接雷擊，同時在該區(qū)內雷電產生的電磁場能自由傳播，沒有衰減。

（2）雷電保護區(qū)LPZOB。

該區(qū)內的各種物體在接閃器保護范圍內，不會遭受直接雷擊，但該區(qū)內的雷電電磁場因沒有屏蔽裝置，雷電產生的電磁場也能自由傳播，沒有衰減。

（3）雷電保護區(qū)LPZi（i=1，2，...）。

當需要進一步減少雷電流和電磁場時，應引入后續(xù)防雷區(qū)，并按照需要保護的系統所需求的環(huán)境選擇后續(xù)防雷區(qū)的要求條件。

三、風力發(fā)電機組綜合防雷技術

現代綜合防雷包括了外部防雷和內部防雷兩大部分。一套完善的防雷設施，為了實現其對不同雷電的防護目的，必須采取接閃、分流、屏蔽、均壓、接地等技術措施。

外部防雷的作用是將絕大部分雷電流直接引入地下泄散。外部防雷一般是防止建筑物或設施（含室外獨立電子設備）免遭直擊雷危害，其技術措施可分接閃器（避雷針、避雷帶、避雷網等金屬接閃器）、引下線、接地體等。

內部防雷——快速泄放沿著電源或信號線路侵入的雷電波或各種危險過電壓這兩道防線，互相配合，各盡其職，缺一不可。內部防雷系統主要是對易受過電壓破壞的電子設備加裝過壓保護裝置，在設備受到過電壓侵襲時，防雷保護裝置能快速動作泄放能量，從而保護設備免受損壞。endprint