風(fēng)電防雷系統(tǒng)存在的問題與解決措施

劉建青

山西龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司 山西太原 030006

風(fēng)電場(chǎng)一般地處偏僻，開闊空曠，隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量增大，輪轂高度和葉輪直徑隨之增加，雷擊風(fēng)險(xiǎn)也不斷身高。雷擊已成為對(duì)風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行危害最大的一類自然災(zāi)害。如何避免風(fēng)電場(chǎng)遭受雷擊，發(fā)生跳閘故障或設(shè)備損壞，對(duì)運(yùn)營(yíng)和設(shè)備商都是重要課題，兩者結(jié)合緊密。通過對(duì)山西區(qū)域多起雷擊故障分析，從設(shè)計(jì)、設(shè)備、基建和運(yùn)維各環(huán)節(jié)做改進(jìn)，以提升風(fēng)電綜合防雷能力[1-2]。

1 風(fēng)電防雷環(huán)境與雷擊特點(diǎn)

1.1 風(fēng)電場(chǎng)防雷環(huán)境

風(fēng)電場(chǎng)主要分布在三北地區(qū)和沿海。經(jīng)統(tǒng)計(jì)云、晉、冀等地風(fēng)電雷害概率最高，閩、粵、遼等省雷害概率次之，寧、新、甘等地雷害概率最低。另?yè)?jù)氣象資料，我國(guó)日均雷電年變化有雙峰值特點(diǎn)，第一峰值在4月中到5月中，雷電峰值較集中；第二峰值在6月底到8月，主峰值在7月中到8月中，主峰值量達(dá)第一峰值的2倍。

以山西神池和靜樂地區(qū)兩風(fēng)電場(chǎng)為例，雷擊多在6-9月雷雨季。其中2015-2017年，靜樂A風(fēng)電場(chǎng)集電線路雷擊跳閘48次，損失電量近208萬千瓦時(shí)；同期，神池B風(fēng)電場(chǎng)集電線路雷擊跳閘37次，損失電量近340萬千瓦時(shí)。

1.2 風(fēng)電雷擊損壞特點(diǎn)

風(fēng)電場(chǎng)雷擊破壞主要形式有兩類，一是集電線路和箱變因雷擊導(dǎo)致跳閘和設(shè)備損壞，造成場(chǎng)內(nèi)受累；二是機(jī)組受到雷擊，設(shè)備損壞停運(yùn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每百臺(tái)機(jī)組雷擊量約10%，葉片、控制、發(fā)電機(jī)、軸承系統(tǒng)易受雷擊損壞。

2 風(fēng)電防雷現(xiàn)狀

2.1 防雷系統(tǒng)組成

風(fēng)電場(chǎng)升壓站主控，一二次系統(tǒng)和線路防雷都按國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)典型設(shè)計(jì)；機(jī)組防雷設(shè)計(jì)因國(guó)內(nèi)外在技術(shù)和理解上的差異有所不同，總體是按防雷保護(hù)分區(qū)。機(jī)組防雷包括：外部保護(hù)系統(tǒng)，如接閃器等；內(nèi)部保護(hù)系統(tǒng)，如電涌保護(hù)等。

2.2 防雷系統(tǒng)存在的問題

（1）機(jī)組防雷設(shè)計(jì)差異。接閃器在數(shù)量、分布、材料上差別較大。引下線須考慮導(dǎo)流能力、導(dǎo)線重量和熱穩(wěn)定性，尚無統(tǒng)一規(guī)范。雷電流引起的過電壓，取決引下系統(tǒng)和接地電阻。風(fēng)機(jī)廠家對(duì)地電阻值要求不一致。

（2）其他方面存在的問題。①設(shè)計(jì)選型不當(dāng)。風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)初期，局地雷電氣象資料不全，對(duì)雷害評(píng)估不足，設(shè)計(jì)雷電防護(hù)水平低，運(yùn)行中超出設(shè)計(jì)所承的防護(hù)水平。機(jī)組防雷是由廠家設(shè)計(jì)，各廠家實(shí)際設(shè)計(jì)所依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)差別很大，又運(yùn)行在各種不同的自然環(huán)境中，在設(shè)計(jì)制造期留下隱患。②接地電阻不良。接地良好是保證雷擊中機(jī)組安全的重要條件。山地地質(zhì)的土壤電阻率較高，按照一般電氣設(shè)備接地方式設(shè)計(jì)的機(jī)組接地系統(tǒng)不能滿足要求。若將所有機(jī)組接地網(wǎng)連接，工頻接地電阻降低了，但沖擊接地電阻并無改善，并且這種連接也難實(shí)現(xiàn)[3-4]。③避雷器性能不佳。復(fù)合外套金屬氧化物避雷器主要由三部分組成：閥片、復(fù)合外套和固定部件，也是決定質(zhì)量的關(guān)鍵因素。有廠家為降低成本，外套密封不良、使用劣質(zhì)閥片、引線截面不足，嚴(yán)重影響避雷器功能。這類設(shè)備一旦遇到雷擊自身率先擊穿炸裂，起不到保護(hù)作用還會(huì)擴(kuò)大事故。④防雷設(shè)備運(yùn)維缺失。從安全檢查看，對(duì)防雷設(shè)備的運(yùn)檢維是不足的。甚至在運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間后發(fā)現(xiàn)機(jī)組的葉片防雷引線沒有安裝或斷裂；有的在雷擊后發(fā)現(xiàn)箱變避雷器的接地線接錯(cuò)。種種情況表明，風(fēng)電場(chǎng)防雷還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，制定完善防雷設(shè)備檢查、維護(hù)、評(píng)估管理。

3 風(fēng)電場(chǎng)綜合防雷建議與措施

改善風(fēng)電場(chǎng)防雷狀況，要從設(shè)計(jì)、制造、建設(shè)多環(huán)節(jié)入手，加強(qiáng)防雷設(shè)備的檢查維護(hù)，形成一套風(fēng)電場(chǎng)綜合防雷體系。建議如下：（1）風(fēng)電場(chǎng)選址，地質(zhì)好的機(jī)組基礎(chǔ)和低電阻率地網(wǎng)點(diǎn)是矛盾的。必須考慮各種因素，進(jìn)行技經(jīng)優(yōu)化。在雷電高發(fā)區(qū)，適當(dāng)提高雷電防護(hù)級(jí)別，最大程度發(fā)揮風(fēng)電場(chǎng)防雷性能。在可研階段做到地勘測(cè)試不同極距土壤視在電阻率，及季節(jié)系數(shù)建議值。注意年平均雷暴日或雷暴小時(shí)，參照規(guī)程的雷電等級(jí)，作為設(shè)計(jì)和設(shè)備采購(gòu)的依據(jù)。（2）加強(qiáng)防雷接地基建管理，明確監(jiān)理責(zé)任，全過程管理。接地導(dǎo)體會(huì)受到化學(xué)和電化學(xué)腐蝕，優(yōu)先選用優(yōu)良的防腐接地材料。在工程交接時(shí)要進(jìn)行沖擊接地電阻測(cè)試，最好解開各機(jī)組間的地網(wǎng)連接點(diǎn)再測(cè)量。土壤電阻率500Ω.m以上，土壤電阻率不均勻強(qiáng)雷電區(qū)，接地設(shè)計(jì)要重點(diǎn)審核，接地工程由專業(yè)企業(yè)執(zhí)行[5]。（3）完善防雷設(shè)備檢查、維護(hù)、評(píng)估，加強(qiáng)巡視。確保接地電阻年檢和不合格接地電阻整改；加強(qiáng)對(duì)葉片避雷系統(tǒng)和引雷通道的檢查；箱變高低壓側(cè)均可設(shè)計(jì)安裝避雷器。對(duì)于多雷害風(fēng)電場(chǎng)，應(yīng)按沖擊接地電阻要求評(píng)估，必要時(shí)改造接地網(wǎng)。如果采用架空線，應(yīng)全線架設(shè)避雷線。雷電特別強(qiáng)烈應(yīng)全線架設(shè)避雷器并考慮雙避雷線，且耐受電流值應(yīng)選擇更高參數(shù)。（4）葉片磨損、開裂等未及時(shí)修理也易造成葉片受雷擊，運(yùn)行中應(yīng)加強(qiáng)維保。吊裝前，測(cè)量葉片引雷線連接電阻，確保引雷線正常；隨著葉片長(zhǎng)度增加，發(fā)生了雷擊造成中部斷裂，原因是擊中了葉片中部引雷點(diǎn)，瞬間能量釋放很大，強(qiáng)度不夠，葉片直接折斷。在采購(gòu)中應(yīng)關(guān)注葉片質(zhì)量、強(qiáng)度和工藝。（5）風(fēng)電場(chǎng)采用架空絕緣導(dǎo)線，在雷擊閃絡(luò)時(shí)易發(fā)生線路斷線。神池某風(fēng)場(chǎng)在進(jìn)站段采用絕緣導(dǎo)線，多次出現(xiàn)雷擊斷線故障。而裸導(dǎo)線在雷擊閃絡(luò)時(shí)由于電動(dòng)力作用，電弧向負(fù)荷端移動(dòng)，不會(huì)造成導(dǎo)線局部過熱熔斷，因此絕緣架空導(dǎo)線可考慮特殊防雷設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

雷害是威脅風(fēng)電安全生產(chǎn)和效益的嚴(yán)重問題。根據(jù)風(fēng)電運(yùn)行現(xiàn)狀，應(yīng)考慮各類因素的差別，建立完善符合當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)的防雷規(guī)范和預(yù)案。在設(shè)計(jì)、采購(gòu)、建設(shè)和運(yùn)維等環(huán)節(jié)上注意改進(jìn)，形成從機(jī)組、線路到升壓站的綜合防雷體系。