論風(fēng)電場(chǎng)雷電防護(hù)措施研究

王皓 胡軍

摘 ? 要：目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的高度可超過(guò)100m，受地理?xiàng)l件的限制，大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)修建在沿?；虻貏?shì)較高的地方，增加了遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。遭受雷擊之后的修理費(fèi)用投入較大，已經(jīng)超過(guò)了發(fā)電廠的承受范圍。要想維護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性，應(yīng)從降低雷擊災(zāi)害對(duì)其的破壞性入手并進(jìn)行防護(hù)研究。應(yīng)針對(duì)發(fā)電機(jī)組周圍的環(huán)境狀況的不同，制定相應(yīng)的防雷保護(hù)措施，才能有效維護(hù)電路的穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：防雷保護(hù) ?維護(hù)電路 ?風(fēng)電機(jī)組

中圖分類號(hào)：P427 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）07（b）-0109-02

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

1 ?風(fēng)電機(jī)組的雷擊風(fēng)險(xiǎn)分析

風(fēng)電機(jī)組的外露部分包括葉片、輪轂、機(jī)艙、塔架等。葉片作為接收風(fēng)能的裝置，位于整個(gè)機(jī)組的最高處，對(duì)于整個(gè)機(jī)組來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。輪轂的作用是固定葉片，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)能，通過(guò)輪轂傳遞到機(jī)艙內(nèi)部。機(jī)艙內(nèi)有齒輪箱、發(fā)電機(jī)等核心設(shè)備，可以將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能供用戶使用。塔架支撐起葉片、輪轂和機(jī)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(shí)，風(fēng)電機(jī)組極易出現(xiàn)接閃的情況。此時(shí)風(fēng)電機(jī)組上方積聚了大量的雷云，此時(shí)大地會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電荷，由于風(fēng)電機(jī)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(gè)極不均勻的電場(chǎng)極，并伴有尖端放電現(xiàn)象。強(qiáng)力的電流擊穿風(fēng)力發(fā)電機(jī)與雷云間的游離空氣，極易發(fā)生回閃放電現(xiàn)象，風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為導(dǎo)體，將雷電流引入大地。

1.1 雷擊危害

風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其劇烈的放電，嚴(yán)重?fù)p壞風(fēng)電機(jī)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(huì)產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)，破壞風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行;間接雷擊是人們通常所說(shuō)的二次雷擊，產(chǎn)生的雷電感應(yīng)會(huì)造成嚴(yán)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(duì)風(fēng)電機(jī)組的危害

若物體直接遭受到雷擊，會(huì)在一瞬間接收到十分強(qiáng)大的電流，在雷擊點(diǎn)某個(gè)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭受雷擊時(shí)，會(huì)將雷電流引入大地，由于雷電流具有高幅值的特性，雷擊點(diǎn)的溫度在短時(shí)間內(nèi)大幅度上升，且無(wú)法做到迅速冷卻，極有可能融化損毀風(fēng)力發(fā)電機(jī)的裝置，此時(shí)機(jī)艙內(nèi)產(chǎn)生大量水汽并迅速膨脹，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)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(duì)風(fēng)電機(jī)組的危害。雷云聚集時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的外殼會(huì)附著許多感應(yīng)電荷，產(chǎn)生雷暴現(xiàn)象的過(guò)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的電性，感應(yīng)電荷沒有了約束，變成能自由移動(dòng)的電荷。自由電荷處于游離狀態(tài)，沒有固定的移動(dòng)方向，不能在短時(shí)間內(nèi)離開發(fā)電機(jī)，會(huì)在局部產(chǎn)生較大的電位差。自由電荷經(jīng)過(guò)風(fēng)塔被引入大地的過(guò)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(huì)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(duì)風(fēng)電機(jī)組的危害。

雷擊災(zāi)害發(fā)生時(shí)，風(fēng)塔將雷電流引入大地，風(fēng)塔內(nèi)部會(huì)形成一個(gè)強(qiáng)大的暫態(tài)脈沖磁場(chǎng)。由電磁感應(yīng)定律可知，周圍的設(shè)備受脈沖磁場(chǎng)的影響，會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓和過(guò)電流，導(dǎo)致風(fēng)塔內(nèi)的電子設(shè)備出現(xiàn)故障，無(wú)法進(jìn)行操作。

1.1.4 雷電反擊對(duì)風(fēng)電機(jī)組的危害。

發(fā)電機(jī)組與附近設(shè)備共用一套接地體，雷電擊中風(fēng)電機(jī)組時(shí)，接地體中有強(qiáng)大的雷電流通過(guò)，電位也隨之升高。雷電反擊現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致多個(gè)金屬體之間出現(xiàn)連鎖反應(yīng)，對(duì)設(shè)備甚至人身安全造成嚴(yán)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(diǎn)之間出現(xiàn)電位差，電位差增大到一定程度時(shí)，若有人員經(jīng)過(guò)時(shí)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(fēng)電場(chǎng)防雷保護(hù)措施研究

現(xiàn)代防雷技術(shù)強(qiáng)調(diào)保護(hù)措施的全面性，針對(duì)防雷擊過(guò)電壓，需要制定一套系統(tǒng)的防護(hù)方案，進(jìn)行多層保護(hù)，綜合考慮實(shí)際情況，利用接閃、引下、分流、接地等方式，為瞬間通過(guò)的脈沖電流提供一條路徑，防止雷電流對(duì)磁場(chǎng)和電場(chǎng)進(jìn)行干擾，避免電子設(shè)備遭受破壞。風(fēng)電機(jī)組可以使用以下方法進(jìn)行防雷擊保護(hù)。

2.1 對(duì)直擊雷的防護(hù)措施

2.1.1 接閃

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片往往處于整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)最高的位置，最有可能成為雷擊點(diǎn)。制定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直擊雷防護(hù)措施時(shí)，往往直接將葉片作為接閃器，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)，會(huì)燒毀雷擊點(diǎn)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(yán)重的破壞。因此將葉片作為接閃器時(shí)，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(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)艙設(shè)有發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)，當(dāng)其受到雷擊時(shí)，可能直接導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組癱瘓，解決辦法是在機(jī)艙上部放置接閃桿，位置必須比風(fēng)向儀高，降低直擊雷毀壞發(fā)電機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.2 接地

接地在風(fēng)力發(fā)電機(jī)防雷保護(hù)措施中至關(guān)重要。風(fēng)電場(chǎng)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(xué)設(shè)置接地網(wǎng)。施工過(guò)程中要適當(dāng)?shù)負(fù)Q土，采用降阻劑，加大接地體埋深等，接地體的埋入地點(diǎn)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(duì)雷電感應(yīng)的防護(hù)措施

2.2.1 過(guò)電壓保護(hù)

雷電擊中發(fā)電機(jī)時(shí)，會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較強(qiáng)的電壓電流，過(guò)電壓保護(hù)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(fēng)機(jī)和箱變的電源傳輸線、信號(hào)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(hù)器，采用層層防護(hù)，抑制過(guò)電壓的形成，使雷電流在瞬間快速通過(guò)，保護(hù)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(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部的設(shè)備，雷擊現(xiàn)象會(huì)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(jī)組內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度。發(fā)電機(jī)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(jī)等。

2.2.3 設(shè)置合理的警示標(biāo)識(shí)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多遠(yuǎn)離市區(qū)，處于無(wú)人出沒的野外山區(qū)，風(fēng)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(guò)的人員保持安全距離，避免發(fā)生觸電事故。野外作業(yè)時(shí)必須明確天氣信息，做好防護(hù)措施，禁止在雷電環(huán)境中操作。

3 ?結(jié)語(yǔ)

科學(xué)技術(shù)在不斷地發(fā)展，隨著風(fēng)電機(jī)組高度的增加，配置的設(shè)備價(jià)格也越高，雷擊災(zāi)害為風(fēng)電機(jī)組帶來(lái)的損失不容小覷。風(fēng)電場(chǎng)往往處于地勢(shì)較高的山頂，土壤電阻率大，對(duì)雷電流的引流造成阻礙，增加了雷擊對(duì)其造成毀壞的可能性。各個(gè)季節(jié)都有可能發(fā)生雷電活動(dòng)，其中夏季是雷電的高發(fā)時(shí)段，且雷電的破壞性較強(qiáng)，應(yīng)做好防護(hù)措施。雷擊分為直擊雷和間接雷擊，都會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組造成損壞，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防護(hù)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(fēng)電機(jī)組;過(guò)電壓保護(hù)和等電位聯(lián)結(jié)可以避免感應(yīng)雷對(duì)發(fā)電機(jī)組造成破壞，維護(hù)機(jī)組內(nèi)部設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行;風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電場(chǎng)周圍的自然環(huán)境，分析雷電活動(dòng)的分布規(guī)律，對(duì)雷擊災(zāi)害進(jìn)行預(yù)判，根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)電場(chǎng)的特點(diǎn)制定防雷保護(hù)措施，為其他陸地風(fēng)電場(chǎng)的雷擊風(fēng)險(xiǎn)分析、防雷設(shè)計(jì)方案等提供參考案例。

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