含山縣風電場雷擊風險及防護措施研究

王 鵬, 奚立信

(含山縣氣象局, 安徽 含山 238100)

0 引 言

根據(jù)國家能源局公布的《風電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》,“十二五”期間風電已成為我國新增電力裝機的重要組成部分,是我國繼煤電、水電之后的第三大電源?！笆濉逼陂g我國將進一步加大風電的裝機建設(shè),預(yù)計至2020年底風電年發(fā)電量將占全國總發(fā)電量的6%。風電的快速發(fā)展,對風力發(fā)電機組的運行穩(wěn)定性提出更高的要求。

風力發(fā)電機組的高度已達100 m以上,且大部分位于沿?；蚋呱降貐^(qū),極易遭受雷擊。雷擊災(zāi)害對風力發(fā)電機組造成的損失已經(jīng)大于其可接受的修理費用。因此,風力發(fā)電機組的雷擊災(zāi)害對其運行穩(wěn)定性的影響已變得極為重要[1-2]。

我國地域廣闊,風能資源豐富,風力發(fā)電機組所處環(huán)境多樣化。“十三五”規(guī)劃顯示,我國將加快開發(fā)中東部和南方地區(qū)陸上風能資源,因此根據(jù)風電場所處環(huán)境對風力發(fā)電場的防雷保護進行差別化研究至關(guān)重要[3-4]。

1 資料和方法

結(jié)合安徽省馬鞍山市含山縣風電場,研究風電場遭受雷擊的風險。

(1) 研究風電場所處地理環(huán)境,討論風電場所處環(huán)境的特殊性。

(2) 對2006～2015年近10年含山縣閃電定位觀測資料進行統(tǒng)計分析,研究含山縣閃電頻次和強度的月分布。

(3) 分析風電場存在的雷擊風險,進而提出綜合防雷保護措施,為風電場的防雷設(shè)計施工提供依據(jù)。

2 環(huán)境分析

含山縣風電場位于含山縣清溪鎮(zhèn)、昭關(guān)鎮(zhèn)和仙蹤鎮(zhèn)境內(nèi),處于梅山、蒼山、六垱山等山頂,跨度大,風機分散。山頂海拔高程一般在300 m左右,山勢大部分坡緩谷寬;山體多砂巖、石灰?guī)r,木本植物豐富。

選取風電機組較為集中的6處區(qū)域,采用多功能接地電阻儀對其進行土壤電阻率測試,得到風電場的土壤電阻率參數(shù)。各測試點的土壤電阻率如表1所示。

表1 各測試點的土壤電阻率

由表1可以明顯看出,含山縣風電場的土壤電阻率較大,各測點的土壤電阻率范圍均在600 Ω·m以上。高土壤電阻率會增加接地體的接地電阻,為風力發(fā)電機的接地體施工帶來困難,極大地增大風力發(fā)電機遭受雷擊的風險。

3 含山縣雷電活動分布特征

對含山縣2006～2015年的閃電定位觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,閃電活動月分布特征如圖1所示。

圖1 閃電活動月分布特征

由圖1可以看出,含山縣全年均有雷電活動,在每年的6～8月閃電活動最為頻繁,強度也較大,其中7月閃電活動達到高峰;閃電強度在8月出現(xiàn)最大值,4月、6月、7月、9月閃電強度也處于較高水平。

從含山縣的閃電活動情況來看,風電場全年均有遭受雷擊的風險存在,在6～8月尤其需要注意防范。

4 風電機組的雷擊風險分析

4.1 風電機組構(gòu)造

風電機組外露部分主要由葉片、輪轂、機艙、塔架等構(gòu)成。葉片是風電機組的關(guān)鍵組成部分,用于捕捉風能,位于風電機組的最高點。輪轂將葉片固定,并將葉片的機械動能傳遞到機艙內(nèi)部。機艙包容著風電機的關(guān)鍵設(shè)備,包括齒輪箱、發(fā)電機等,實現(xiàn)機械動能向電能的轉(zhuǎn)化。塔架用于支撐葉片、輪轂以及機艙,一般內(nèi)部中空,為維修人員提供上下通道,并且內(nèi)部有大量外接電纜。

4.2 風電機組接閃過程分析

雷暴來臨時,雷云積聚在風電機組的上方,由于地面產(chǎn)生感應(yīng)電荷,且風電機組的高度較高,相較周邊地勢較為突出,使得風電機相對于雷暴云形成一個極不均勻電場極,極易發(fā)生尖端放電,擊穿風力發(fā)電機與雷云間的游離空氣,發(fā)生回閃放電現(xiàn)象,強大的雷電流通過風力發(fā)電機導(dǎo)入大地,這就是風電機組的接閃過程。

4.3 雷擊對風電機組產(chǎn)生的危害

當雷電擊中風電機組時產(chǎn)生劇烈的放電現(xiàn)象,從而對風電機組產(chǎn)生嚴重危害。雷擊對風電機組造成的危害主要分為直擊雷和間接雷擊兩種類型。直擊雷危害主要體現(xiàn)為雷擊的電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機械效應(yīng)造成的嚴重破壞;間接雷擊的危害又稱為二次雷擊的危害,主要是雷電感應(yīng)造成的危害,體現(xiàn)為靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)以及雷電反擊造成的破壞。

4.3.1 直擊雷對風電機組的危害

當雷電直接擊中物體時,巨大的雷電流通過接觸點注入被擊中物體,其熱效應(yīng)可以在雷擊點局部范圍內(nèi)產(chǎn)生足以使金屬熔化的超高溫。當雷電擊中風力發(fā)電機,強大的雷電流經(jīng)由風塔導(dǎo)入大地,在雷擊點產(chǎn)生的超高溫會導(dǎo)致金屬熔化,可能直接燒毀風力發(fā)電機的重要部件。雷電流具有高幅值的特點,當雷擊于風力發(fā)電機時短時間在其內(nèi)部瞬時產(chǎn)生大量的熱量,這些熱量短時間內(nèi)來不及散發(fā),導(dǎo)致雷擊處內(nèi)部的水分迅速汽化、膨脹,甚至產(chǎn)生爆炸,對被擊風電機組造成巨大的物理損壞[5-7]。

4.3.2 間接雷擊對風電機組的危害

(1) 靜電感應(yīng)對風電機組的危害。當有雷云形成時風力發(fā)電機外殼積聚大量感應(yīng)電荷,當雷電發(fā)生時先導(dǎo)通道中的電荷被地面上的相反電荷迅速中和,此時風力發(fā)電機中的感應(yīng)電荷失去束縛,成為自由電荷。由于這些自由電荷不能迅速釋放消失,在局部形成高電壓。當感應(yīng)出的自由電荷經(jīng)由風塔泄放入大地時,在高電壓的作用下導(dǎo)致接觸不良的金屬部件間產(chǎn)生火花放電,對風力發(fā)電機的部件造成損毀,甚至引發(fā)火災(zāi)。

(2) 電磁感應(yīng)對風電機組的危害。當風力發(fā)電機遭受雷擊時,雷電流通過風塔泄放入大地,雷電流會在風塔內(nèi)部產(chǎn)生很強的暫態(tài)脈沖磁場。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,脈沖磁場會在附近的設(shè)備回路中感應(yīng)出過電壓和過電流,導(dǎo)致風塔內(nèi)電子設(shè)備受到損壞,控制系統(tǒng)失靈。

(3) 雷電反擊對風電機組的危害。風電機組的接地體和附近設(shè)備的接地體是共用接地體,當風電機組遭受雷擊時雷電流通過接地體泄放入大地的過程中造成接地體電位升高,由于雷電流持續(xù)時間很短,這種電位升高的現(xiàn)象持續(xù)時間很短,所以稱為暫態(tài)電位升高。當暫態(tài)電位升高,導(dǎo)致防雷裝置的某些部位與周圍金屬體之間發(fā)生空氣間隙擊穿時,稱為雷電反擊。雷電反擊發(fā)生時,可能引發(fā)多個金屬體之間的一系列反擊,導(dǎo)致嚴重的設(shè)備損壞和人員傷亡。

暫態(tài)電位升高也會導(dǎo)致接地體周圍土壤中產(chǎn)生電壓降,使附近地面上不同兩點間出現(xiàn)電位差,當電位差足夠大時附近人員會受到跨步電壓和接觸電壓的危害。

5 風電場防雷保護措施研究

現(xiàn)代防雷技術(shù)強調(diào)對被保護物的全方位防護,把防雷擊過電壓看成是系統(tǒng)工程,進行層層設(shè)防,綜合治理,主要原理是通過接閃、引下、分流、接地為瞬態(tài)過電壓的脈沖電流提供一條泄流通道,同時防止雷電流通過磁場和電場對電子、電氣設(shè)備造成干擾破壞。對于風電機組,可以通過以下方面進行防雷擊保護。

5.1 對直擊雷的防護措施

5.1.1 接閃

風力發(fā)電機的葉片通常位于風力發(fā)電機的最高點,因此葉片遭受雷擊的概率最大。風力發(fā)電機的直擊雷防護通常將葉片作為接閃器,但由于材料科學(xué)的進步,現(xiàn)今風力發(fā)電機的葉片多采用復(fù)合材料制成中空結(jié)構(gòu),遭受雷擊時不僅雷擊點附近的葉片表面燒壞,金屬部件融化損毀,更可能在其內(nèi)部形成電弧,對葉片造成嚴重損毀。所以,當采用葉片作為接閃器時,要保證雷電流能夠從雷擊點引到輪轂,無論是葉片表面使用傳導(dǎo)材料,還是在葉片表面固定金屬導(dǎo)體,都要保證材料具有足夠的傳導(dǎo)能力。

當雷電擊中風力發(fā)電機的機艙時,導(dǎo)致其中發(fā)電機和控制系統(tǒng)損壞,因此應(yīng)在機艙上部安裝高度大于風向儀的接閃桿,減少直擊雷的損害[8]。

5.1.2 接地

接地是風力發(fā)電機防雷施工中最重要的一環(huán)。由于含山縣風電場位于山頂,土層結(jié)構(gòu)不均勻和土壤垂直分層,土壤電阻率較高,因此要特別注意接地網(wǎng)的設(shè)計,在施工時應(yīng)盡量采用換土、降阻劑、深埋接地體等方式,確保將接地體埋入電阻率較低的土壤中,減小接地電阻。

5.2 對雷電感應(yīng)的防護措施

5.2.1 過電壓保護

過電壓保護的基本原理是在瞬態(tài)過電壓的極短時間內(nèi),在被保護區(qū)域內(nèi)的所有導(dǎo)電部件之間建立等電位,導(dǎo)電部件包括電源傳輸線,保證在極短的時間內(nèi)雷電流通過電源傳輸線導(dǎo)入大地。因此,應(yīng)在風機和箱變的電源傳輸線、信號傳輸線的關(guān)鍵部位和敏感設(shè)備的端口安裝電涌保護器,實行多級保護,限制產(chǎn)生的過電壓,保證雷電流在極短的時間內(nèi)以最短的路徑泄放入大地。

5.2.2 等電位聯(lián)結(jié)

等電位聯(lián)結(jié)可以起到均壓屏蔽作用,為風力發(fā)電機的內(nèi)部設(shè)備建立金屬的法拉第籠連接網(wǎng)絡(luò),有效消除設(shè)備間危險的電位差并減小內(nèi)部磁場的強度。因此,應(yīng)將風力發(fā)電機的內(nèi)部組件,如發(fā)電機、主軸承、齒輪箱等做好等電位聯(lián)結(jié)。風輪與機艙、機艙與風塔等也應(yīng)保證可靠的電氣連接。

5.2.3 設(shè)置合理的警示標識

風力發(fā)電機地處野外山頂,周圍空曠無人,應(yīng)在風塔、升壓站接閃桿等室外可能產(chǎn)生接觸電壓、跨步電壓的地方設(shè)置警示標牌,提供雷電警示信息,防止人員意外受傷。此外,還應(yīng)及時關(guān)注雷電預(yù)報,避免在雷電天氣下作業(yè)。

6 結(jié) 語

(1) 隨著技術(shù)的進步,風電機組高度愈高,所裝載的設(shè)備愈昂貴,遭受雷擊后的損失愈大,因此做好風電場的防雷研究非常重要。含山縣風電場位于山頂,海拔較高,所處環(huán)境土壤電阻率大,不利雷電流泄放,雷擊風險較高。

(2) 含山縣全年均有雷電活動,6月～8月雷電活動最頻繁,雷電強度較大,尤其要注意防范。

(3) 雷擊對風力發(fā)電機組產(chǎn)生的危害主要通過直擊雷和間接雷擊,因此對風力發(fā)電機組的防護也應(yīng)從這兩方面綜合考慮:通過做好接閃和接地,保證風力發(fā)電機組泄流通道的暢通,防止直擊雷的危害;通過過電壓保護和等電位聯(lián)結(jié),做好對感應(yīng)雷的防護,保護風力發(fā)電機組內(nèi)部設(shè)備;設(shè)置警示標志,安全作業(yè),避免意外傷亡事故。

(4) 通過對含山縣風電場所處地理環(huán)境和雷電活動分布特征的分析,探究風電場存在的雷擊風險,同時有針對性地提出防雷保護措施,可為其他陸地風電場的雷擊風險評估、防雷設(shè)計施工等提供技術(shù)參考。

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