山区风力发电场防雷技术分析

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摘要：针对广宁特殊的地质环境，阐述山区各类风力发电场的直击雷安全防护、侧击雷安全防护、风机接地、等电位连接等各种综合性的防雷安全技术措施，从而提高山区风力发电场抗雷电灾害的能力。

关键词：风力发电，综合防雷，山区

引言

近年来风力发电机组逐年增加，在国内对风力发电防雷方面的研究有曾勇等研究贵州山地风力发电机雷击电磁环境[1]；韩建海等研究山区风力发电机组防雷技术[2]；李春辉研究通辽地区风力发电机组综合防雷以及邓利科等研究连州风力发电场防雷接地等。但上述研究都是根据当地的地质环境和雷电特征进行分析防雷技术，并不适用于广宁特殊地质环境中的山区风力发电场的综合防雷，因此本研究针对本地地形环境等因素分析研究适用于广宁特殊地形的风力发电机组的防雷设计，为广宁风力发电机组整机防雷设计奠定基础。

1广宁风力发电场地质环境

广宁风力发电场地区地貌单元属绥江中游谷地，绥江自西北蜿蜒方向向东南倾斜汇入广宁县境,形成了两边中部平原坡度高中间低的纵向倾斜斜坡地形。该项目的具体地质地理结构按照岩性岩体类型可分为浅变质含云母砂岩，板岩和砂质板岩，石英砂岩以及硅质岩等，分水岭宽厚，两岩岩体由透水性弱的板岩和砂岩组成。风力发电场位于孤立空旷山脊上，远离人群居住地以及电力线缆，远离电网负荷区域，联网线路长、控制系统复杂，容易遭受雷击，遭受雷击造成的损失较大。

2广宁风力发电场土壤电阻率

土壤电阻率的数值与土壤的结构，土质的紧密度、湿度、温度等，以及土壤中含有可溶性的电解质有关。本次测量所用仪表为zc29B-2接地电阻测试仪，分别取接地极间距离a＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10m。根据原理公式：ρ＝2π×a×R计算出土壤电阻率。其中：a测量时仪表接地极间距，单位m；R接地极接地电阻值，单位：Ω。土壤电阻率测试应避免在雨后或雪后立即进行，一般宜在连续天晴3天后或在干燥季节进行。采集前三天天气晴朗，采集当日天气晴朗，场地土壤表层较干燥。场地原是背斜、向斜的低山地，地质条件较稳定，场地以剥蚀低山为主，山地已铲平，低洼处已填沙石，且已压平。土壤电阻率ρ值见表1。本项目各风机土壤电阻率范围389～1282Ω•m，土壤电阻率数值平均值883Ω•m。

3土壤电阻率与雷电放电之间的关系

李树晨研究的大地电阻率与雷电放电之间的关系中得出雷电流幅值的大小与土壤电阻率的大小成减函数关系。也就是说土壤电阻越高，则雷电流幅值越小；土壤电阻越低，则雷电流幅值越大。根据表1土壤电阻率测量数据可知风力发电场的土壤电阻率及其不均匀，而雷电对地放电具有一定的选择性，土壤电阻率小较低的地方易受闪击（大地表面突出部位易受闪击）。根据现场勘查报告以及测量数据，广宁风力发电场地势高的区域土壤电阻高、地势低的区域土壤电阻率低，因此风力发电场的雷电环境处于相对稳定的状态。

4综合防雷措施

根据风力发电场的使用性质、重要性以及发生雷电事故的可能性和后果，依据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》和雷击风险评估，将风力发电场划分为第二类防雷建筑物。（1）直接雷防护。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。其中叶片作为风力发电机组中位置最高的部件及最易接闪的部位，要做好叶片的防雷措施尤为重要，李天密指出目前对叶片上防雷装置布置问题、泄流问题还没有很完善的解决方案，需进一步研究。叶片上有一层厚厚的绝缘层，面对年度最强的电闪103～104kA雷电流，叶片的完全绝缘并不能降低雷击风险，反而只能增加受损伤的程度，很多情况下雷击的位置在叶尖的背面。为了降低风电机组直接接闪的概率，减少因雷电闪击带来的风险，风力发电机组的防雷设计采取“区域防雷”与“单体防雷”相结合的雷电防护措施进行设计。区域防雷主要考虑针对风力发电场整个区域进行防雷设计，采用双针保护进行设计。广宁风力发电场共有风机15台，风机净高80m，根据15台风机的地理位置、地形情况、磁场环境以及最佳成本等情况在整个风机场内设置数个独立避雷塔，采用双针保护的方法，让每个风力发电机都在避雷塔的范围内，这样可有效降低风机被直接雷击的概率，从而达到防御的目的。其次针对风机本身，在叶片上敷设热镀锌扁钢作为接闪器，依据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》，围绕机身一圈表面敷设2条以上热镀锌扁钢作为引下线，并将叶片背面的热镀锌扁钢与引下线可靠连接，引下线与接地装置可靠连接，当遇到侧击雷刚好击中风机时，可将大部分电流通过叶片上的接闪器、机身上的引下线、接地网有效引入大地，达到泄流的作用。（2）接地系统。广宁风力发电场15台风机和机组共用一个接地网，利用风机塔基其本身的钢筋混凝土做自然接地体，并沿着基础另外做环形接地网。将塔基钢筋混凝土与环形接地网相连接，部分土壤电阻率较大的风机机位可采用换置土，外引接地网，外引接地线，增加离子接地模块和离子棒等方式降低接地电阻至4Ω。水平接地体采用-60mm×6扁钢，垂直接地体采用L63mm×63mm×6角钢。接地网沟槽深0.8m，宽0.5m垂直接地体的顶端在沟槽底部与水平接地体连接。风机与风机外接地环连接点至箱变与箱变外接地网连接点之间，沿接地体长度大于15m。（3）等电位连接。等电位相互连接的目标就是为了有效防止和减少在设备与系统之间,系统和操作者之间可能发生危险的电位差,确保设备及操作人员的安全。但是,对于一个不恰当的等电位接地,不但使设备无法实现应用目标,而且很可能还会将一些受到雷击影响的电流导致输入或者传递到设备中,造成对该设备的严重伤害。根据各类风电机组使用情况和特点,其等电位的连接主要由以下几个部分构成：机舱等电位,塔筒底部等电位。①机舱等电位连接。在大型应用风力发电大型发动机组的风力引擎室和风力发动机舱内为了能够使两个用户之间能够同时连接形成一个可靠的低和高电位接地系统,就分别设置了一个用于等效低和高电位接地系统的连接端子板。等驱动电位接地系统与一个端子板互相串联连接安装到整个整体机舱内所有金属电子元件端的底座中。可以用于整个整体机舱内各种类型通用电气电路设备的整个金属外壳、机柜、机架、金属元件的导管、槽、屏蔽板等层和通用电源接地连接器等线缆的整个金属屏蔽层、Spd的电源接地端、机舱内的电源接地线和整个整体机舱内的等驱动电位接地端子板相互连接;用于风力发电厂的机组通风叶片的静电防雷保护装置需要引入以下线路就是通过一个等驱动电位端的接地线与端子板相连接安装在整个机舱的元件底座上。②塔筒底部等电位连接。塔筒底部设置了总等位连接端子板,并通过镀锌扁钢与风力发电场的环形接地网进行可靠连接,连接方式采用双面焊,焊接长度6cm。塔筒底部各种类型金属装置、金属接线管、槽、机柜金属外壳、线缆屏蔽层等需就近与总等位连接端子板等电位连接。

5结语

雷电灾害已经逐渐形成了自然界中对于整个风力发电场的风机机组安全以及运行状况危害最大的一种自然灾害。因此做好风力发电机场的雷电防御对风电场的运行维护、管理等有重要的作用。

参考文献

[1]曾勇,刘波,吴安坤,吴仕军,张淑霞.贵州山地风力发电机雷击电磁环境研究[J].电瓷避雷器,2017(04):56-62.

[2]杨文斌,周浩.风电机组过电压保护与防雷接地设计[J].高电压技术,2008(10):2081-2085.

作者：潘仕虎 肖文娟 单位：广宁县气象局