沿海地區(qū)風(fēng)電場防雷接地技術(shù)設(shè)計(jì)研究

摘 要：寧德市沿海地區(qū)風(fēng)力發(fā)電前景廣闊，由于風(fēng)電場機(jī)組建在沿海的山丘或海面及海島上，結(jié)構(gòu)突出，所處環(huán)境特殊，雷電是對(duì)風(fēng)電場機(jī)組危害最大的自然災(zāi)害之一，而且受建址、地質(zhì)、環(huán)境等條件的影響，防雷工作開展難度較大。其中，接地系統(tǒng)是防雷設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，結(jié)合機(jī)組實(shí)際，做好風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)及35 kV集電線路的接地優(yōu)化設(shè)計(jì)，在節(jié)省工程成本同時(shí)可以最大化發(fā)揮防雷的效果。對(duì)此，分析了寧德市氣候特點(diǎn)及雷電發(fā)生特征，闡述了沿海地區(qū)風(fēng)電場雷電防御重要性，探討了風(fēng)電場的雷擊危害及主要防雷措施，提出了風(fēng)電場防雷接地設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：沿海地區(qū)；風(fēng)電場；防雷；接地系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）08–0-03

近年來，隨著風(fēng)力資源的有效開發(fā)利用，沿海地區(qū)涌現(xiàn)出大量的風(fēng)力發(fā)電場和風(fēng)力發(fā)電的設(shè)備裝置。然而，海洋的水汽充足、鹽分高等特殊條件，不可避免地會(huì)給沿海地區(qū)風(fēng)場發(fā)電站設(shè)備帶來不利影響，使風(fēng)力發(fā)電企業(yè)遭受經(jīng)濟(jì)損失[1]。雷電是風(fēng)電場機(jī)組造成直接危害的災(zāi)害之一，雷電擊中機(jī)組葉片直接毀壞葉片、軸承及機(jī)械結(jié)構(gòu)等，雷電產(chǎn)生的電磁感應(yīng)及電涌過電壓過電流效應(yīng)可對(duì)風(fēng)電機(jī)組造成間接危害。受到風(fēng)電場位置、地質(zhì)、環(huán)境、氣象條件和重要性等因素的影響，其防雷工作既是重點(diǎn)又是難點(diǎn)[2]。防雷接地是風(fēng)電場開展防雷技術(shù)研究的重要環(huán)節(jié)，科學(xué)、合理的防雷接地設(shè)計(jì)，不僅能增強(qiáng)防雷效果，還可以節(jié)省工程成本。在介紹寧德市氣候及雷電發(fā)生特征的基礎(chǔ)上，探討了風(fēng)電場機(jī)組雷電保護(hù)重要性及防雷措施，重點(diǎn)針對(duì)風(fēng)電場機(jī)組接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 寧德市氣候特點(diǎn)及雷電發(fā)生特征

寧德市位于福建閩東地區(qū)，地處福建省東北部沿海，東部瀕臨東海，全市陸地面積為1.35萬km2，直接相鄰的海域面積達(dá)4.46萬km2，海岸線長1 046 km，以丘陵山地地形為主，沿海地帶為小平原。寧德市為亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，溫和多雨。春季多陰雨天氣，早春3—4月冷暖空氣交匯易發(fā)生冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣；夏季天氣炎熱，雷雨多發(fā)，還會(huì)受到臺(tái)風(fēng)影響；秋季多晴朗天氣，氣候宜人；冬季無嚴(yán)寒，干冷少雨。寧德市山地丘陵和沿海平原海拔差異較大，形成了明顯的立體氣候，氣候資源豐富。年平均氣溫17.5 ℃，年平均降雨量1 811.2 mm。每年3—9月為雨季，其間降水量約占年總降水量的81%；10—翌年2月為干季，干濕季分明。因此，寧德市多發(fā)氣象災(zāi)害，主要為強(qiáng)對(duì)流、臺(tái)風(fēng)、暴雨洪澇、高溫干旱和低溫凍害等災(zāi)害性天氣。

受地理位置影響，我國南方的雷電天氣多于北方，山地比平原多，內(nèi)陸比沿海多，福建處于我國多雷暴地區(qū)，雷電天氣主要發(fā)生在春夏季和初秋季節(jié)。寧德市一年中各個(gè)月份都可能會(huì)出現(xiàn)雷暴，主要出現(xiàn)在3—9月，其中6—9月雷暴日數(shù)為34 d，近些年寧德市年雷暴出現(xiàn)日數(shù)趨于減少。

2 沿海地區(qū)風(fēng)電場雷電防御重要性

風(fēng)能為可再生清潔能源，寧德市沿海地區(qū)具有豐富的風(fēng)能資源，常年為北東北（NNE）風(fēng)向，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)闁|北（NE）向，年平均風(fēng)速為7.2 m/s，年均風(fēng)能密度可達(dá)411 W/m2，可大力開發(fā)利用沿海風(fēng)能資源。寧德市旨在打造出東南沿海的重要清潔能源基地，2023年全市風(fēng)力累計(jì)發(fā)電量達(dá)到2.77億kW·h，同比增長18.6%。

當(dāng)前寧德市風(fēng)電機(jī)組建在沿海的山丘或海島上，未來將向海面上發(fā)展，矗立的風(fēng)桿可達(dá)80～100 m，成為空曠地帶的制高點(diǎn)，是雷電放電的目標(biāo)對(duì)象。由于地處海域，加上海洋環(huán)境影響，寧德市沿海地區(qū)雷暴天氣頻發(fā)且發(fā)生強(qiáng)度大，嚴(yán)重威脅著風(fēng)電場設(shè)備及其運(yùn)行安全。再加上風(fēng)電場選址在海拔較高的山脊或海島上，交通偏遠(yuǎn)且不便，開展風(fēng)電場機(jī)組運(yùn)行維護(hù)的任務(wù)十分困難，導(dǎo)致風(fēng)電場人員形成了重建設(shè)而輕維護(hù)的懈怠思想，增加了風(fēng)電場遭受雷擊的概率。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國沿海地區(qū)的風(fēng)電場雷擊災(zāi)害損失超出整個(gè)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)雷擊事故的80%以上，因此加強(qiáng)沿海地區(qū)風(fēng)電機(jī)組的雷電防護(hù)成為沿海城市的防雷工作重點(diǎn)，必須改變思想、增強(qiáng)意識(shí)，做好沿海風(fēng)電場防雷工作。

3 風(fēng)電場的雷擊危害及主要防雷措施

3.1 雷電對(duì)風(fēng)電場的危害

風(fēng)電場周邊環(huán)境空曠，風(fēng)電機(jī)組挺拔高聳的機(jī)身上端為葉片，3個(gè)大型的葉片頂端部位呈尖體狀。按照雷電的放電選擇性規(guī)律，機(jī)身和葉片頂端處為雷擊點(diǎn)，發(fā)生雷電時(shí)，直擊雷會(huì)首先擊中頂點(diǎn)部位，產(chǎn)生電場畸變，瞬間增大周圍電場強(qiáng)度，起到引雷的作用，因此風(fēng)電機(jī)組極易遭受雷擊。雷電擊中機(jī)艙后，雷電流沿著物體上的導(dǎo)體經(jīng)接地體泄入大地，機(jī)艙暫態(tài)電位會(huì)被抬高。在機(jī)組被雷電擊中后，產(chǎn)生的雷電流會(huì)經(jīng)風(fēng)電機(jī)組的塔筒傳導(dǎo)，通過接地體傳入大地，此時(shí)作為接地導(dǎo)體的塔筒和接地體均發(fā)生暫態(tài)電位抬高現(xiàn)象。由此可見，風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊后，從機(jī)身頂端到機(jī)身底部，雷電流可沿多條通路向大地泄流。

除出現(xiàn)上述情況外，塔筒及筒內(nèi)的電纜屏蔽層和裝設(shè)的引下線等，都是雷電流通過的路徑（圖1）。通過這些分析可以得出，直擊雷對(duì)風(fēng)電場發(fā)電機(jī)組的危害主要表現(xiàn)：一是直接擊中風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片；二是雷電擊中機(jī)艙后，機(jī)艙內(nèi)部的金屬間縫產(chǎn)生電火花后引發(fā)爆炸和火災(zāi)事故；三是雷電過電壓損害機(jī)組內(nèi)部的電子設(shè)備；四是雷電產(chǎn)生的跨步電壓與接觸電壓及爆炸的碎片引起火災(zāi)后造成危害。

圖1 雷電擊中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組后雷電流的泄流通道

通常感應(yīng)雷會(huì)沿風(fēng)機(jī)組的線纜或其他設(shè)施對(duì)機(jī)組造成危害，引起火災(zāi)或爆炸事故等，或雷電流入侵機(jī)組后引起電位抬高，進(jìn)而使相關(guān)設(shè)備過電壓損壞，電磁耦合導(dǎo)致的潛勢電位抬高引發(fā)火災(zāi)或爆炸等。

3.2 主要防雷措施

由于風(fēng)電場所處位置及自身構(gòu)造等，極易受到直擊雷和感應(yīng)雷的危害，開展風(fēng)電場防雷主要是針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片、機(jī)艙的保護(hù)，以及電氣和電子設(shè)備的雷電過電壓防護(hù)等。

3.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片防雷

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片所用材料不僅要滿足要求的強(qiáng)度，還要降低旋轉(zhuǎn)摩擦過程中產(chǎn)生過多的電荷。因此，生產(chǎn)廠家在制作葉片時(shí)要選用適宜的材料，葉片的頂端與內(nèi)部要安裝上導(dǎo)電材料，若受到雷擊即可發(fā)揮避雷針作用，泄放雷擊產(chǎn)生的雷電流，保護(hù)葉片。在葉片上安裝接閃器、引下導(dǎo)體構(gòu)成防雷裝置，接閃器為圓盤狀，保持盤面與葉面平齊狀態(tài)嵌裝于葉片頂端部位。當(dāng)雷電擊中葉片的葉尖時(shí)，內(nèi)置的接閃器會(huì)將雷電流導(dǎo)入引下導(dǎo)體，由引下導(dǎo)體再將雷電流引入葉片根部輪轂→低速軸→塔筒等，最后散入大地。

近些年，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量不斷增大，葉片面積及長度也隨之增長，長度在20 m以上的葉片設(shè)計(jì)防雷時(shí)，可在葉片上面設(shè)置多個(gè)接閃器，每個(gè)接閃器都要與內(nèi)置的銅導(dǎo)體或鋼絲的引下線，連接葉片上的接閃器，這樣可以改善防雷裝置對(duì)雷電下行先導(dǎo)的攔截性能，最終將雷電流泄入大地，葉片上非接閃器部位被雷擊的概率減小。同時(shí)在風(fēng)況傳感器、機(jī)艙尾部的上方結(jié)合其高度各裝設(shè)一根避雷針，以減少雷擊。

3.2.2 機(jī)艙的防雷措施

機(jī)艙及其外部的設(shè)備均極易遭受直擊雷襲擊，針對(duì)機(jī)艙的防雷設(shè)計(jì)，機(jī)艙內(nèi)各個(gè)部件利用連接螺栓與其底座上金屬支架進(jìn)行可靠連接，不能與底座相連的部件可與接地電纜電氣相連。機(jī)艙背面頂部的風(fēng)速風(fēng)向儀、信號(hào)燈及其支撐結(jié)構(gòu)，也是易遭受雷擊損壞的部位，可在機(jī)艙后部裝設(shè)一個(gè)避雷針，被雷電擊中后，雷電流即可經(jīng)接地電纜傳遞至機(jī)艙的底座，由塔筒和接地的電纜作基礎(chǔ)的接地后泄入大地，保護(hù)機(jī)艙和相關(guān)的設(shè)備免遭雷擊。風(fēng)速風(fēng)向儀的金屬屏蔽外殼較厚，可以防止感應(yīng)過電壓危害，在風(fēng)速風(fēng)向儀及信號(hào)燈的金屬線纜上加裝浪涌保護(hù)器進(jìn)行感應(yīng)雷的防護(hù)，保護(hù)控制系統(tǒng)避免過電壓的損害。

同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片被雷電擊中后，雷電流經(jīng)引下線直達(dá)葉片根部，經(jīng)變槳軸承再向輪轂和主軸傳遞，主軸承齒輪箱等設(shè)備材質(zhì)為導(dǎo)體，極易產(chǎn)生感應(yīng)雷電流?？刹捎勉~質(zhì)材料制成的碳刷建成一條低阻抗的路徑，引導(dǎo)雷電流到達(dá)偏航軸承及塔筒，同時(shí)增大主軸承結(jié)構(gòu)的阻抗，降低主軸承、齒輪箱及發(fā)電機(jī)端口的雷電流，降低雷擊概率。此外，可在雷電流經(jīng)的主軸承、齒輪箱、高速軸和發(fā)電機(jī)到機(jī)架之間的回路上裝設(shè)絕緣層，這樣一來，雷擊后產(chǎn)生的雷電流會(huì)經(jīng)風(fēng)輪鎖緊盤、碳刷、偏航軸承、塔筒這一設(shè)置有抵抗層的路徑到達(dá)接地網(wǎng)后再泄入大地，避免雷電流通過主軸承和齒輪箱，降低對(duì)其損害。

3.2.3 過電壓防護(hù)

為防護(hù)雷電電涌過電壓，可分別在電力線路和信號(hào)線路上安裝電源電涌保護(hù)器，避免雷擊產(chǎn)生的雷電電涌入侵室內(nèi)的電氣和電子設(shè)備。電源的入口處安裝I級(jí)電涌保護(hù)，發(fā)動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子及整流器處安裝Ⅱ級(jí)電涌保護(hù)器。

4 風(fēng)電場防雷接地設(shè)計(jì)

4.1 風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)接地設(shè)計(jì)

風(fēng)電場機(jī)組基礎(chǔ)使用的是打樁基礎(chǔ)，每個(gè)風(fēng)電機(jī)組使用長度為15 m、直徑為60 cm的PHC600管樁共35根作為基礎(chǔ)。在對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)進(jìn)行接地設(shè)計(jì)時(shí)，接地材料使用的是風(fēng)電機(jī)組廠家給的90 m Φ50銅絞線，將銅絞線沿基礎(chǔ)外圈進(jìn)行圈設(shè)，并在線圈的兩端引上至等電位接地母排，同時(shí)與基礎(chǔ)鋼筋網(wǎng)進(jìn)行可靠的連接。此外，要特別注意銅絞線和基礎(chǔ)鋼筋網(wǎng)不能連接基礎(chǔ)樁基，這樣才能確保基礎(chǔ)管樁強(qiáng)度。

在對(duì)防雷設(shè)施進(jìn)行施工時(shí)，分別從風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的2個(gè)方向呈180°的角度引出2根Φ50銅絞線作為接地引出線的預(yù)留，若施工后測量接地電阻≤4Ω，可以從這兩預(yù)留處各直線敷設(shè)44 m Φ50銅絞線擴(kuò)展接地網(wǎng)，最后將銅絞線埋入地下0.7～1.0 m的深處。

機(jī)架的防雷接地設(shè)計(jì)，為機(jī)架與上段的塔架、塔架與塔架、塔架與基礎(chǔ)環(huán)之間采用螺栓進(jìn)行連接，每2個(gè)部件的連接點(diǎn)之間再用銅導(dǎo)體進(jìn)行等電位連接，然后接入接地裝置。當(dāng)雷電擊中機(jī)架，雷電流則會(huì)通過塔筒和上述接地線流入大地。

針對(duì)機(jī)組接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用直徑在10 m以上的接地圓環(huán)作為接地體，將多臺(tái)機(jī)組的接地圓環(huán)相互連接，每臺(tái)機(jī)組的接地工頻電阻滿足不大于4 Ω的要求，接地體局部埋深不能低于1 m。接地裝置主要有接地體和接地線，塔筒的底部要事先埋4根熱鍍鋅接地扁鐵，其中，位于塔筒門右側(cè)的接近變頻器的接地扁鐵，用作變頻器與箱變主電纜的接地，另外3根接地扁鐵用于連接塔筒的基礎(chǔ)段。此外，熱鍍鋅扁鐵使用前，要先進(jìn)行除銹、除漆、除渣，然后均勻地涂抹上導(dǎo)電膏，作連接后，給接地扁鐵刷上黃綠色相間的油漆。每年需要定期檢測接地裝置，檢查有無線斷裂、接點(diǎn)松動(dòng)、銹蝕等現(xiàn)象，確保所有的接地系統(tǒng)都保持較好的狀態(tài)。

4.2 風(fēng)電場35 kV集電線路接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)電場內(nèi)的集電線路采用的是雙回路的雙線架空雙地線，使用的線桿塔為鐵塔和門型水泥桿。寧德市為多雷區(qū)，風(fēng)電場建在沿海地區(qū)，鹽霧大，土壤的電阻率也相對(duì)較高，考慮不增加防雷工程成本及施工難度，并確保接地網(wǎng)充分發(fā)揮其作用，需要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況和同類風(fēng)電場防雷設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)線桿塔及線路的防雷接地。針對(duì)每個(gè)線桿塔均采用獨(dú)立的正方形的地網(wǎng)作為接地裝置（圖2），規(guī)格為8 m×8 m，測量施工處的土壤電阻率，垂直接地極埋入地下的深度控制在8～14 m，然后結(jié)合土壤電阻率值確定不同位置的垂直接地極的埋深，保證所有的垂直接地體全部深入土壤電阻率值較低的海水浸透層。

同時(shí)，每個(gè)桿塔的接地裝置由架空線的防雷接地線實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的連接。參考國際防雷標(biāo)準(zhǔn)IEC62305要求，每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的接地網(wǎng)應(yīng)就近與桿塔的接地網(wǎng)進(jìn)行連接，這樣風(fēng)電機(jī)組的接地網(wǎng)之間、桿塔的接地網(wǎng)之間及風(fēng)電機(jī)組與桿塔的接地網(wǎng)之間即可全部連在一起，構(gòu)成一個(gè)完整的風(fēng)電場接地系統(tǒng)，確保接地網(wǎng)在雷電防護(hù)中發(fā)揮應(yīng)有的效果。

圖2 風(fēng)電場塔桿的接地裝置設(shè)計(jì)

5 結(jié)束語

寧德市為雷電天氣多發(fā)區(qū)域，位于該市沿海山丘或海島的風(fēng)力發(fā)電機(jī)極易受到雷擊危害，因此，做好風(fēng)電機(jī)組防雷工程建設(shè)至關(guān)重要，尤其是防雷裝置中接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過合理優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組的防雷接地系統(tǒng)，在滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)及國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)場實(shí)際實(shí)施有效的設(shè)計(jì)方案，既能降低工程成本，又能加快工程進(jìn)度，且擴(kuò)展性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)后期簡便處理接地體腐蝕問題，可靠性和實(shí)用性強(qiáng)，從而降低風(fēng)電場遭受雷擊概率，確保風(fēng)力發(fā)電工作的正常開展。

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