風電場防雷接地系統(tǒng)相關技術

黃星月

（國華（赤城）風電有限公司，河北 張家口 075500）

在經(jīng)濟不斷地發(fā)展過程中，風力發(fā)電成為人們十分需要的一種能源。對于電力系統(tǒng)來說，不僅需要進行維護與調整，還需要應用智能化管理方式進行操縱。利用先進技術對一些自然災害，如雷電進行預防，確保電力工程設備的整體安全運行，并對構成威脅的事件進行正確處理。

1 風電場防雷接地系統(tǒng)現(xiàn)狀

隨著我國環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，越來越多的人開始關注清潔能源，而風力發(fā)電設備就是較為引人注目的成果之一。對于風力發(fā)電來說，時常會出現(xiàn)一些隱患，十分不利于電力系統(tǒng)的發(fā)展與穩(wěn)定。一些自然災害會對風電系統(tǒng)造成危害，有效對這些問題進行監(jiān)督與管理，對于防雷接地系統(tǒng)的應用逐漸提上日常?？梢酝ㄟ^智能化實現(xiàn)對發(fā)電網(wǎng)絡的間歇性、直接性控制，將會大幅度提升網(wǎng)絡的安全性，不會將因為天氣檢測的失誤而造成危害。目前而言，我國風電機組的防雷設備多設置在一些自然災害頻發(fā)的地區(qū)，防止雷電設備的應用也多設置在這些地方。在風力資源過剩的地區(qū)，風電場的規(guī)模和風電機組的單機都會對風電發(fā)電量造成影響。因此要對暴露在外部的設備進行防雷保護，對于可遭到直擊雷雷擊部分進行疏導，防止其遭到破壞。對于防雷接地系統(tǒng)也要因地制宜，根據(jù)風電機組自身結構和特點加上當?shù)氐沫h(huán)境進行合理的設置。全方面、多方位地闡述風力發(fā)電機防雷接地系統(tǒng)的使用，便于進行科學化的布局。

對于風電場防雷接地系統(tǒng)材料的選擇一定要因地制宜。環(huán)境對于施工來說也是極為重要的，在施工過程中，如果不能及時考慮環(huán)境因素，也會引發(fā)一系列的問題。降雨量、熱脹冷縮、晝夜溫差效應等都會影響防雷設備的效果。在溫差較大的環(huán)境下，冷熱交替明顯，對于防雷接地材料本身就是一種損害，其結構可能會發(fā)生改變，所以要加以解決，降低問題的出現(xiàn)頻率。[1]

2 風電場防雷接地系統(tǒng)

2.1 雷電的原理

雷電是伴有閃電和雷鳴的一種自然現(xiàn)象，它一般產(chǎn)生于積雨云中，由于云雨交加使云中產(chǎn)生電荷。這種電荷比較復雜，一般以云上為正，云下為負，形成一個電差，就會引發(fā)雷電的發(fā)生。電流也會有高有低，平均電流是3 萬安培，最大電流可達30 萬安培，電壓約為1 億～10 億伏特。這樣的雷電會在云層中產(chǎn)生，能對建筑物造成危害。對于風電場來說，風力發(fā)電機組都是安裝在野外廣闊的平原地區(qū)或半山地丘陵地帶或沿海地區(qū)。在現(xiàn)場中為了能保障風力發(fā)電的正常運行其設備一般都會設定到一定的高度，有的設備還會有百米之高，這樣一來就很容易在雷電天氣中造成事故。一些風機為了減少阻力其內部設置結構都是非常的緊湊嚴謹，其中不管是葉片還是機艙等敏感位置遭受到雷擊，都有可能受到機艙的高電位反擊。在生活中，雷擊事故常有發(fā)生，比如說在空曠地區(qū)的一些高置物體在雷擊天氣中，就算做到很好的防護也有可能受到雷擊，雷擊事故有時候是不好控制的。所以要想做好風力發(fā)電的防雷，工作人員不應該一味的去研究如何減少雷擊事故的發(fā)生，而是應該著重地去研究當風機受到雷擊的時候怎樣能迅速的將雷電流引入大地，做出合理的方案，盡可能的減少對設備的傷害，從而保障人員的安全，使損失降低到最小的程度。一般情況下，多雷區(qū)相關數(shù)據(jù)為：地閃密度超過2.78 次/(km2?a)但不超過7.98 次/(km2?a)或平均年雷暴日超過40d 但不超過90d 的地區(qū)。

2.2 風電場防雷接地系原理

雷電會直接影響到風電機組的正常運行，根據(jù)國家標準規(guī)定，風電機組的接地電阻要按規(guī)定設計其接地網(wǎng)。在現(xiàn)在的風力發(fā)電中，風電場風機的接地網(wǎng)多為環(huán)形水平接地網(wǎng)，這樣能更好的適應風機。

在水平接地網(wǎng)上加垂直接地極。由于不同工程的地質條件不同，各個風機布機處的土壤電阻率也大不相同，低的為幾十Ω，高的達到幾千Ω。因此風機的接地電阻差別很大，所達到的效果也不相同。風機所在位置的土壤電阻率較低，用較小的接地網(wǎng)就可以做到接地電阻小于4Ω，工作接地和防雷接地的接地電阻都可以滿足條件。風機所在位置的土壤電阻率較高，單臺機組接地網(wǎng)的接地電阻可以滿足小于10Ω，但不能滿足接地電阻小于4Ω 的要求。

2.3 主要系統(tǒng)構成

風電場防雷接地系統(tǒng)主要包括風機基礎和箱變配電設備接地系統(tǒng)設計、風電場升壓站防雷接地系統(tǒng)設計、風電場集電線路防雷接地系統(tǒng)設計。風機基礎和箱變配電設備接地系統(tǒng)設計是根據(jù)具體的地理位置進行估算，以雷擊自然災害發(fā)生的頻率等作為參考，可以防雷、保護接地、工作接地等。要求人工接地網(wǎng)的厚度不小于4mm，寬度不小于60mm，地下深度不少于80cm。

風場內所有的風機機位的接地都要符合要求。風電場升壓站防雷接地系統(tǒng)設計，要遵循一下操作，地基設備與自然條件相互為基礎，以人工接地體為補充，形成一個環(huán)體，利用導電系統(tǒng)進行電流的疏導。采用統(tǒng)一接地網(wǎng),從一點到另一點，即一點接地的方式接地。[2]

3 風電場防雷接地系統(tǒng)相關技術應用

3.1 風電場防雷接地離不開系統(tǒng)的穩(wěn)定

對于使用壽命、系統(tǒng)穩(wěn)定等問題，必須依靠設備自身來解決。要從設計、制造和改善領域進行探索，找到技術漏洞及時進行填補。作為防雷接地系統(tǒng)來說，難度會隨著實踐的應用而加大，對于設備要進行不斷的修正與探索，對于結構復雜的路線、耗能較大的設備要及時進行更換。改變地線保護角度桿塔采用單地線且地線保護角度在25 時,可通過對桿進行載荷計算,在鐵塔端設置雙地線的技術方案,雙地線保護角不宜大于10°。在策略上進行能量的轉換與改善，在控制層面上實現(xiàn)更為精準的控制，以應對可能發(fā)生的潛在危險。對于可控電抗來說，進行自我診斷與檢修時十分重要的，一個良好的、健康的系統(tǒng)應該可以診斷出存在的問題，并及時進行修補與提示。防雷接地同樣需要進行技術上的突破與完善，尤其是接觸材料的選擇，要針對不同的情況，選擇不同的材質。充分考慮電流對于接觸地方的侵蝕作用，較少不必要的運行損耗，以保障其壽命的增加。設備的創(chuàng)新一定要得到重視，許多新的研發(fā)要及時投入到使用當中，不斷改革傳統(tǒng)防雷接地系統(tǒng)的弊端與不足，杜絕出現(xiàn)傳統(tǒng)設備運行中的問題，有問題時要及時進行糾正。

3.2 改變電阻率

所謂電阻，就是指雷電在產(chǎn)生巨大危險的時候，導電設備將電流倒入大地，直接向遠處擴散所遇到的電阻。接地電阻直接影響到風力發(fā)電設備的好壞，并關系到雷電能否安全通過。因此首先應該最大限度地降低接地裝置中的接地電阻,土填電阻率是影響接地電阻的一大因素。要想降低電阻，就要想辦法降低土填電阻率。還要了解地區(qū)降雨量、土壤溫度等，這些方面的地理環(huán)境等因素會對電阻率造成影響。由于降雨量影響濕度，這方面很難控制，我們只能從改造土特性來影響土填電阻率。當前要通過使用降阻劑造成一定的改變，使得土壤的性質發(fā)生變化，進而達到想要的效果。風機所在位置的土壤電阻率有高有低，當電阻率較低的時候要想使接地電阻小于4Ω，只要用小小的接地網(wǎng)就可以做到。如果當風機所在位置的土壤電阻率較高的時候，就很難做到接地電阻小于4Ω，但是可以做到單臺機組接地網(wǎng)的接地電阻小于10Ω。在山區(qū)如果想要做到接地電阻小于4Ω，在設置接地網(wǎng)的時候可以利用山區(qū)的有利位置比如說山腳下或者半山腰土壤電阻率低的位置，設置到這樣較低的位置然后與風機接地網(wǎng)連接，這樣一來，就做到接地電阻小于4Ω。[3]

3.3 還要采用先進的連接工藝

由于防雷接地系統(tǒng)中,容易受到物理、化學物質的腐蝕，如暴露于空氣中、雨水中、地下污染物的風力發(fā)電機設備,會受到不同程度的腐蝕，影響防雷效果。接頭更是成為最易受到腐蝕的地方，所以要加大在先進的連接工藝的投入，保證接頭受到較少腐蝕，維護設備的安全。傳統(tǒng)的連接工藝主要是電焊，但會由于高溫的影響發(fā)生質變，所以要適當涂抹防腐涂層對表面進行維護。增加的避雷器應根據(jù)當?shù)仡A期最大首次雷擊電流計算結果進行選型,如無相應數(shù)據(jù)應按照GB/T33629 第6 章第62 條表1 中規(guī)定的首次擊電流計算。另外，避雷器安裝的間距不應小400 米，在海拔1000 米以上及存在線路覆冰的環(huán)境下不宜使用多腔防裝置,增加針在桿塔檔距超過300 米,兩級高差超過100 米的檔段鐵塔安裝避雷針,磁針保護角度可參照折線法進行計算。

4 結語

隨著我國環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，越來越多的人開始關注清潔能源，而風力發(fā)電設備就是較為引人注目的成果之一。對于風電場防雷接地系統(tǒng)來說，其運行的穩(wěn)定與否十分重要。一方面要及時發(fā)現(xiàn)防雷接地系統(tǒng)故障，分析出故障的原因，對于故障位置進行有效處理。另一方面采用技術避免和減少重大事故的發(fā)生，使得風力發(fā)電更加安全，不斷造福人民群眾，為生產(chǎn)與生活帶來穩(wěn)定的電力，推動全行業(yè)的高質量的發(fā)展。