風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受雷擊災(zāi)害分析

摘要：隨著風(fēng)電事業(yè)的飛速發(fā)展，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電已形成一個(gè)重要的新興能源產(chǎn)業(yè)，風(fēng)電機(jī)組單擊容量和風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，風(fēng)電場(chǎng)安全高效運(yùn)行的問題日益受到重視。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭受雷擊損壞部位從高到低依次為：電氣系統(tǒng)、風(fēng)輪葉片、控制系統(tǒng)、傳感器；本文最后對(duì)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組葉片、控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等提出一系列科學(xué)有效的防雷措施。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；雷災(zāi)統(tǒng)計(jì)分析

中圖分類號(hào)： TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 1674-0432（2014）-10-69-1

隨著國(guó)際傳統(tǒng)能源的日漸匱乏和各地對(duì)低碳經(jīng)濟(jì)的倡導(dǎo)，世界上掀起了一股新能源的浪潮，對(duì)于新能源的利用也越來越重視。在已知的各種綠色新能源中，風(fēng)能作為永不枯竭的能源以及高效潔凈的特性受到世界各國(guó)的高度關(guān)注。

在我國(guó)風(fēng)電發(fā)展的初期，風(fēng)電場(chǎng)大部分集中在年平均雷暴日較少的新疆和內(nèi)蒙古等干旱偏遠(yuǎn)地區(qū)，且主要采用的是450 千瓦級(jí)以下的風(fēng)電機(jī)組，機(jī)組遭受雷擊的問題并不突出。然而，隨著我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)速度不斷加快、規(guī)模不斷擴(kuò)大，風(fēng)電場(chǎng)開始向多雷區(qū)、強(qiáng)雷區(qū)等雷電活動(dòng)頻繁的東南沿海地區(qū)拓展。同時(shí)風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量越來越大，為吸收更多能量，輪轂高度和風(fēng)輪直徑不斷增高，目前大功率風(fēng)電機(jī)組的塔架最高已經(jīng)超過200米，是風(fēng)電場(chǎng)中最高大的構(gòu)筑物。風(fēng)電機(jī)組的日益大型化，相對(duì)也增加了被雷電擊中的風(fēng)險(xiǎn)，雷擊成了自然界中對(duì)風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行危害最大的一種災(zāi)害。

1 我國(guó)雷電活動(dòng)規(guī)律

我國(guó)幅員遼闊、地形復(fù)雜、氣候多變，不僅是雷電多發(fā)地域，而且雷電活動(dòng)分布極不均衡。我國(guó)雷電活動(dòng)季節(jié)分布特點(diǎn)主要是：春季、冬季較少，夏秋季節(jié)頻繁，南方主要集中在3～9月份，而北方雷電發(fā)生主要集中在5～8月份。

2 我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組受雷災(zāi)情況

2.1 數(shù)據(jù)來源

我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組遭受雷擊損壞部位比例從高到低依次為：電氣系統(tǒng)、風(fēng)輪葉片、控制系統(tǒng)、傳感器等，分別所占比例為：37.9%、27.2%、23.3%、5.8%，這四項(xiàng)所占的比例總和占所有風(fēng)電機(jī)組雷擊事故總和的94.2%，幾乎占據(jù)風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊損壞部位的所有可能出現(xiàn)情況；風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)高大，一般總高度超過150米，暴露在空氣中的部件很多，一旦遭遇雷雨天氣，極易遭受直接雷擊。然而雷電流在泄流過程中，可能造成更多的影響。在雷電作用下，不僅風(fēng)機(jī)機(jī)械部分受損，同時(shí)機(jī)組的電氣設(shè)備、電控系統(tǒng)等即使沒有直接受到雷擊，在巨大的雷電流及強(qiáng)變化的電磁場(chǎng)作用下也會(huì)發(fā)生故障、引發(fā)失靈。因此，風(fēng)電機(jī)組的防雷技術(shù)也就十分復(fù)雜。

2.2 雷電對(duì)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的危害及分析

若風(fēng)電機(jī)組被雷電直接擊中又沒有完善的防雷措施，或防雷措施中的接地裝置不能有效及時(shí)起到散流均壓作用，雷電流能量就會(huì)轉(zhuǎn)換成以高溫、高熱、強(qiáng)力沖擊波、強(qiáng)大的電動(dòng)力等形式對(duì)風(fēng)葉或風(fēng)電機(jī)組的其他設(shè)施造成雷擊損害。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受間接危害主要表現(xiàn)為雷電電磁感應(yīng)效應(yīng)和電涌過電壓效應(yīng)，能造成電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的損壞。

3 防雷措施情況及存在問題

3.1 葉片部分

葉片由不能傳導(dǎo)雷電流的復(fù)合材料（玻璃纖維增強(qiáng)塑料）制成，僅在葉尖部分設(shè)置有金屬導(dǎo)體，接閃面積較小，無法滿足雷電防護(hù)的實(shí)際需要。機(jī)艙尾部上端設(shè)有一直高為80厘米，直徑10毫米的鍍鋅圓鋼制成的避雷短針，保護(hù)氣象儀器及發(fā)電機(jī)設(shè)備，并通過35平方毫米銅帶與控制箱外殼連接。

3.2 電氣部分

塔內(nèi)箱式變壓器高低壓兩側(cè)雖已安裝SPD，但是參數(shù)不能滿足該區(qū)域雷電流泄放的要求。

3.3 控制系統(tǒng)

從機(jī)艙到控制箱的4條通訊電纜，共計(jì)32條控制線，屏蔽層只有一端接地，入箱前通訊端口未安裝任何SPD。在控制箱內(nèi)，單端屏蔽層接地的光纖將信號(hào)傳導(dǎo)中控室的計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。

3.4 等電位連接

風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部弱電設(shè)備未按照要求進(jìn)行良好接地，有些連之前等電位接地排上或者虛接。塔內(nèi)設(shè)備各系統(tǒng)之間無等電位連接或者等電位連接電阻過大。

3.5 接地電阻

整個(gè)機(jī)組按二類防雷要求設(shè)防，基礎(chǔ)接地加環(huán)形人工接地網(wǎng)做接地設(shè)置。對(duì)于主要以風(fēng)化石為主的高土壤電阻率地區(qū)，雖然機(jī)組接地建設(shè)初期使用降阻材料進(jìn)行了降阻處理，然而實(shí)際測(cè)得的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)接地電阻值超過10歐姆，因?yàn)榻底鑴┰谑褂靡欢螘r(shí)間后材料變質(zhì)、流失導(dǎo)致部分失效，使得接地電阻值上升，超過接地要求。

4 結(jié)語

雷擊是影響風(fēng)電機(jī)組乃至整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行的重要因素，因此必須加強(qiáng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組防雷技術(shù)的研究。通過本文研究得到如下結(jié)論：

遭受雷擊損壞部位從高到低依次為：電氣系統(tǒng)、風(fēng)輪葉片、控制系統(tǒng)、傳感器；風(fēng)機(jī)遭受直接雷擊、間接雷擊概率分別為27.2%、72.8%。由于各個(gè)風(fēng)場(chǎng)所處的地區(qū)氣候條件、雷電活動(dòng)水平、地質(zhì)條件、區(qū)域環(huán)境等因素差異較大，且我國(guó)風(fēng)電機(jī)組技術(shù)大都是從國(guó)外引進(jìn)，在引進(jìn)吸收過程中，應(yīng)針對(duì)我國(guó)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出更適合我國(guó)國(guó)情的風(fēng)電機(jī)組，并提出相配的防雷措施，將雷電對(duì)風(fēng)電機(jī)組造成的影響降到最低，最大程度上的利用風(fēng)能資源是我們迫切需要做的。

作者簡(jiǎn)介：劉孝清，寧武縣氣象局，助理工程師，研究方向：氣象。