廣西陸上風(fēng)電運(yùn)行綜合防雷技術(shù)綜述

趙 蕓，肖 煦

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530200）

0 引言

2020 年9 月，隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，建設(shè)新型電力系統(tǒng)、大力發(fā)展新能源發(fā)電已成為國內(nèi)電力行業(yè)的發(fā)展方向。對于傳統(tǒng)發(fā)電已達(dá)瓶頸廣西的電力市場而言，大范圍建設(shè)風(fēng)電場是緩解當(dāng)前電力緊缺現(xiàn)狀的關(guān)鍵突破口。當(dāng)前我國的風(fēng)電技術(shù)不斷完善、裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大，廣西風(fēng)電的裝機(jī)容量在2022 年6 月已達(dá)692 萬千瓦。

陸上風(fēng)電場的雷擊防護(hù)面臨著土壤電阻率高、運(yùn)行工況惡劣及風(fēng)力發(fā)電的固有的結(jié)構(gòu)缺陷等問題[1]。其中，風(fēng)力發(fā)電固有的結(jié)構(gòu)性缺陷指：隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，隨之增加的單個風(fēng)機(jī)容量和逐漸增大的輪轂高度和葉輪直徑在運(yùn)行過程中受雷擊概率大于其處于靜止?fàn)顟B(tài)時[2，3]。雷擊對處于混沌狀態(tài)的風(fēng)電系統(tǒng)是一次大擾動[4]，如擊中風(fēng)機(jī)葉片，易導(dǎo)致造成葉尖結(jié)構(gòu)爆裂破壞，嚴(yán)重時使整個葉片開裂；如因雷擊產(chǎn)生雷電入侵波則有可能導(dǎo)致二次設(shè)備的損壞，此兩種情況都有可能導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[5-9]，尤其是因雷電極性不同風(fēng)機(jī)葉片接閃作用機(jī)制存在明顯差異，最終導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉片接閃器失效[10]，最終影響風(fēng)電場及其所并入公用電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

參照廣西氣象局?jǐn)?shù)據(jù)及《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T50064-2014）分級，廣西屬于多雷區(qū)。因此，如何有效地解決風(fēng)力發(fā)電中的雷擊問題，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值。

1 風(fēng)機(jī)葉片的雷擊防護(hù)

目前，玻璃纖維增強(qiáng)聚酯（GFRP）、碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）以及玻璃-碳纖維復(fù)合材料（GF-CF）是對于風(fēng)機(jī)葉片的雷擊防護(hù)最常采用的三種材料。GFRP 材料的優(yōu)點(diǎn)是成本低，易加工，但其強(qiáng)度和剛度相對較低；CFRP 材料具有良好的強(qiáng)度和剛度，但價格昂貴；GF-CF 材料是GFRP 和CFRP 的組合，具有較高的強(qiáng)度和剛度，但耐久性較差。針對防雷措施，《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50064-2014）中提到的裝設(shè)接閃器和在風(fēng)機(jī)塔頂端裝設(shè)避雷針和避雷線等措施可以用于直擊雷的防護(hù)，而針對感應(yīng)雷的防護(hù)措施則包括電磁屏蔽、浪涌保護(hù)器、對風(fēng)機(jī)內(nèi)法蘭、發(fā)電機(jī)、配電柜、齒輪箱、風(fēng)速桿和機(jī)艙金屬框之間的等電位連接等。對于損傷機(jī)制，我們分析了不同葉片材料在雷電弧作用下的損傷機(jī)制和相應(yīng)的典型特征。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，葉片損傷與電弧熱效應(yīng)和機(jī)械爆裂有關(guān)。電弧產(chǎn)生的焦耳熱會導(dǎo)致葉片中間填充層的水分發(fā)生相變，使得水蒸氣在高溫高壓下加速葉片爆裂[11-13]。針對這一問題，我們建立了描述熱-磁-氣流場的磁流體模型，并分析了葉片的結(jié)構(gòu)性損傷的典型特征，以獲取機(jī)械結(jié)構(gòu)的防護(hù)薄弱區(qū)域。在下行或上行先導(dǎo)中，經(jīng)常出現(xiàn)分叉的現(xiàn)象，因此采用二維隨機(jī)模型描述。進(jìn)一步推論，下行先導(dǎo)所導(dǎo)致的分叉可使風(fēng)機(jī)葉片遭受兩次雷擊，而該情況下的臨界擊穿場強(qiáng)為216 kV/m。

另外，根據(jù)對302 個風(fēng)電機(jī)組的雷擊案例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，風(fēng)機(jī)葉片受雷擊次數(shù)占28%，電子電氣系統(tǒng)受雷擊占比71%[14]。

根據(jù)電位升高最大幅值和注入雷電流最大幅值之比，考慮分布效應(yīng)參數(shù)和土壤電離等因素，并根據(jù)雷電流傳播路徑，采用電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析計(jì)算，當(dāng)雷電沖擊電流為100 kA 時，沖擊接地電阻的數(shù)值為10.08 Ω。工頻接地電阻為16.495 Ω，遠(yuǎn)大于其所需數(shù)值[15，16]。

目前風(fēng)機(jī)葉片采用等電位連接以及布置接閃器的措施來達(dá)到降低雷擊故障率的效果。但對風(fēng)機(jī)葉片的雷擊防護(hù)還應(yīng)當(dāng)關(guān)注因雷擊產(chǎn)生的電弧熱效應(yīng)以及機(jī)械爆裂的機(jī)制。在描述熱-磁-氣流場的磁流體模型中，我們通過試驗(yàn)分析了9 個樣本，其擊穿點(diǎn)分布見表1[17]。

表1 沖擊電流試驗(yàn)擊穿數(shù)據(jù)表

實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明，使用巴塞木作為風(fēng)機(jī)葉片的夾層材料時，其電氣強(qiáng)度差會導(dǎo)致更多的擊穿點(diǎn)。同時，擊穿區(qū)域主要分布在主梁及后緣夾層交界處、后緣夾層處和玻璃纖維交界處。為了防止雷擊貫穿葉片導(dǎo)致的不可控爆裂，可在風(fēng)機(jī)葉片兩腹板及后緣腹板外側(cè)布置引下線。此種做法雖在一定程度上降低葉片的機(jī)械強(qiáng)度，但對于雷擊防護(hù)效果顯著，能有效減小不可預(yù)見的危險[17]。

風(fēng)機(jī)葉片在運(yùn)行過程中，其旋轉(zhuǎn)狀態(tài)會對放電通道產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)性影響，并導(dǎo)致“拉弧”現(xiàn)象如圖1 所示。這種現(xiàn)象會削弱風(fēng)機(jī)葉片的接閃器效果，并使其更容易被燒蝕[18-20]，如圖2 所示。

圖1 拉弧現(xiàn)象

圖2 被電弧燒蝕的風(fēng)機(jī)葉片

風(fēng)機(jī)葉片雷擊接閃存在著極性效應(yīng)，這是由于風(fēng)機(jī)葉片表面積分電容的不對稱性導(dǎo)致的。針對這一現(xiàn)象，該論文提出了一種基于Monte Carlo 模擬風(fēng)險評估方法，可以用于評估風(fēng)機(jī)葉片雷擊接閃的風(fēng)險程度，并為風(fēng)電場的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。該論文的研究成果對于提高風(fēng)電場的可靠性和安全性具有一定指導(dǎo)意義[20-22]。

根據(jù)論文的研究成果，在雷電電流高達(dá)201 kA的情況下，只有金屬網(wǎng)被電流焦耳熱的影響熔斷，而玻璃纖維板未受到嚴(yán)重?fù)p傷。因此，采用金屬防護(hù)網(wǎng)可作為風(fēng)機(jī)葉片的重要保護(hù)措施[23，24]。但其缺點(diǎn)包括制造成本高昂和金屬部件在自然環(huán)境中的耐久性較差。如果解決經(jīng)濟(jì)性和耐久性的問題，金屬防護(hù)網(wǎng)是一種較好的防護(hù)措施。

2 風(fēng)電場集電線路的雷擊防護(hù)

風(fēng)電場集電線路的防雷按防護(hù)機(jī)制可分為“阻塞型”和“疏導(dǎo)型”。

2.1 “阻塞型”防雷技術(shù)

“阻塞型”防雷技術(shù)是依靠避雷器、架空地線、地網(wǎng)、避雷針等傳統(tǒng)措施阻止線路遭受雷擊的技術(shù)方案[25，26]。其優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)雷擊工況不復(fù)雜時，如小幅值的直擊雷，該技術(shù)便能對線路起到良好的防雷效果。但當(dāng)雷擊工況過于復(fù)雜時，如高土壤電阻率時出現(xiàn)反擊、繞擊和多重雷擊則防護(hù)效果便大幅衰退使得線路跳閘甚至設(shè)備損毀。

在風(fēng)機(jī)塔上裝設(shè)避雷針，風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)箱變在設(shè)計(jì)上要求工頻接地電阻不大于4 Ω，若接地電阻大于此數(shù)值則需通過地網(wǎng)降阻的措施解決此問題[27]，在接地電阻埋設(shè)深度足夠的情況下，可遵循以下公式尋找差異化防雷的策略：

式中，Re為接地電阻值，I為雷電流幅值，γ為土壤電阻率，α為接地導(dǎo)體橫截半徑。基于工程造價問題，無法無限制增加，而土壤電阻率在廣西的喀斯特地貌下亦處于“欠賬”水平。

2.2 “疏導(dǎo)型”防雷技術(shù)

“疏導(dǎo)型”防雷技術(shù)指依靠并聯(lián)間隙為核心的防雷技術(shù)，該技術(shù)不抑制電弧的閃絡(luò)，相反依靠犧牲部分耐雷水平配合自動重合閘裝置來實(shí)現(xiàn)防雷效果，特點(diǎn)是設(shè)備損壞率較低而跳閘率較高。其中如圖3（a）所示：令L/L0為絕緣配合比ξ，該數(shù)值越小線路的耐雷水平越低，絕緣子兩端出現(xiàn)過電壓時越容易形成穩(wěn)定燃燒的電弧。如圖3（b）、3（c）所示，因并聯(lián)間隙為金屬材質(zhì)，經(jīng)電弧燒蝕多次后容易產(chǎn)生損耗，導(dǎo)致絕緣配合比減小，當(dāng)并聯(lián)間隙觸發(fā)多次后便失去效果，故不具備耐用性。

圖3 并聯(lián)間隙防雷技術(shù)

綜上得出結(jié)論：該防雷技術(shù)為“雙刃劍”，適合在運(yùn)行工況極端惡劣的環(huán)境下使用。而絕緣配合比ξ的數(shù)值應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件的不同而有所調(diào)整，工程應(yīng)用中多取0.8～0.9。

2.3 “沖擊疏導(dǎo)-工頻阻塞”防雷技術(shù)

廣西大學(xué)王巨豐團(tuán)隊(duì)提出的“沖擊疏導(dǎo)-工頻阻塞”的防雷技術(shù)可在一定程度上達(dá)到減少雷擊故障率的效果。該技術(shù)以多重曲折通道滅弧防雷間隙（ALPG）為核心，集合了“阻塞型”和“疏導(dǎo)型”防雷技術(shù)的優(yōu)勢，并可有效熄滅發(fā)展至一定程度的電弧，其設(shè)置了幅值為20 kA 的沖擊大電流試驗(yàn)波形如圖4所示：在該波形圖中，電弧出現(xiàn)數(shù)個強(qiáng)迫過零點(diǎn)，該現(xiàn)象說明ALPG 具有滅弧能力，并可縮短電弧燃熾時間，促進(jìn)電弧發(fā)展過程。該波形表明，在該波形中出現(xiàn)有限個不可導(dǎo)的點(diǎn)，這說明在每一個不可導(dǎo)點(diǎn)處均有電弧能量注入和消散（分別對應(yīng)左導(dǎo)數(shù)為正值，右導(dǎo)數(shù)為負(fù)值），從而說明ALPG 裝置的特殊結(jié)構(gòu)具有滅弧效果[28]。

圖4 ALPG 沖擊電流試驗(yàn)波形

且該技術(shù)的掛網(wǎng)應(yīng)用并不與地網(wǎng)建設(shè)、避雷針和架空地線的架設(shè)相沖突，在工程應(yīng)用中該技術(shù)可與其配合使用，據(jù)《交流架空輸電線路防雷用自滅弧并聯(lián)間隙DL-T 2110-2020》可知其正常運(yùn)行的條件，見表2。

表2 35 kV 自滅弧并聯(lián)間隙的運(yùn)行條件

目前該裝置已在福建、四川等風(fēng)電場集電線路上掛網(wǎng)運(yùn)行，據(jù)運(yùn)行報(bào)告可知：總體而言，安裝ALPG 后線路跳閘率和設(shè)備損壞率降低，但單個裝置對電弧重燃的抑制能力和對工頻續(xù)流的熄滅能力略有不足，但該技術(shù)仍具備較為廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

以上分析了風(fēng)電場風(fēng)機(jī)葉片與集電線路的防雷措施，從而得出結(jié)論：

（1）對于風(fēng)機(jī)內(nèi)二次設(shè)備的防護(hù)需要使用SPD配合等電位連接來達(dá)到防雷的目的，該措施主要用來應(yīng)對感應(yīng)雷的威脅。

（2）對于風(fēng)機(jī)葉片的防雷分析包括風(fēng)機(jī)葉片受雷擊概率、雷電流傳導(dǎo)的路徑分析、根據(jù)極性不同來評估風(fēng)機(jī)葉片上任意位置的雷擊風(fēng)險。在風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)動時遭受雷擊的概率和故障率均大于其處于靜止?fàn)顟B(tài)時。對此研究人員進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，最終確定風(fēng)機(jī)葉片防護(hù)薄弱的位置處于主梁和后緣夾層交界以及后緣夾層處，若在此處做出相關(guān)的防護(hù)則可降低風(fēng)機(jī)葉片的損壞率，如優(yōu)化接閃器的布置位置。

（3）在風(fēng)機(jī)葉片外加裝金屬網(wǎng)雖會增加成本、并需定時巡檢，但在運(yùn)行工況極其惡劣的區(qū)域選擇此項(xiàng)技術(shù)則可保障在雷電流極大的情況下風(fēng)機(jī)葉片的機(jī)械性能。

（4）風(fēng)電場集電線路具有長距離、土壤電阻率高以及防護(hù)困難等特點(diǎn)，“阻塞型”和“疏導(dǎo)型”防雷技術(shù)所能起到的效果均有限。但避雷器、避雷針，土壤降阻技術(shù)和浪涌保護(hù)器等均是目前最常規(guī)也是能夠立竿見影的方法。而“沖擊疏導(dǎo)-工頻阻塞”技術(shù)受限于尚未完全成熟的ALPG 及工藝水平，雖有廣闊的應(yīng)用前景和市場，但仍需配合如土壤降阻技術(shù)、避雷線等措施使用。