徐愷+劉志雄+楊玉輝

摘 要：根據(jù)突泉縣氣象局1981年至2010年30年整編資料顯示（北緯N45°22′53″、東經(jīng)E121°35′05″、海拔高度311.7米）：突泉縣年平均風(fēng)速4.4米/秒，全年風(fēng)向以西北風(fēng)為主，風(fēng)力資源非常。近年來，隨著風(fēng)力資源的不斷開發(fā)利用，突泉縣風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安裝數(shù)量呈上升趨勢(shì)。突泉縣屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同季，年平均雷暴日數(shù)為30.1天，運(yùn)行中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，易遭受雷擊導(dǎo)致設(shè)備損壞甚至危及人身安全。本文根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外防雷研究領(lǐng)域成果，通過闡述內(nèi)蒙古突泉縣風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的外部和內(nèi)部防雷技術(shù)指出：要改善風(fēng)力發(fā)電機(jī)防雷性能狀況必須從設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量、綜合防護(hù)等根本環(huán)節(jié)著入手，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電防護(hù)做到科學(xué)、有效、安全、經(jīng)濟(jì)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力；發(fā)電機(jī)組；結(jié)構(gòu)；防雷技術(shù)

一、雷擊對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組造成危害的方式

1.直擊雷

雷云之間或雷云對(duì)地面某一點(diǎn)（包括建筑物、構(gòu)架、樹木、動(dòng)植物等）的迅猛放電現(xiàn)象稱之為直接雷擊，實(shí)質(zhì)上就是自然界的靜電放電現(xiàn)象，其迅猛放電的大電流很容易產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械力，它因電效應(yīng)、熱效應(yīng)、和機(jī)械力效應(yīng)等造成物體損壞和人員傷亡。雷電擊中人體、建筑物或設(shè)備時(shí)，強(qiáng)大的雷電流轉(zhuǎn)變成熱能。雷擊放電的電量大約為25～100C。據(jù)此估算，雷擊點(diǎn)的發(fā)熱量大約500～200mm3的鋼材。因此雷電流的高溫?zé)嵝?yīng)將灼傷人體，引起建筑物燃燒，使設(shè)備部件熔化。在雷電流流過的通道上，物體水分受熱汽化而劇烈膨脹，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊性機(jī)械力。該機(jī)械力可達(dá)5000～6000N。因此可以使人體組織、建筑物結(jié)構(gòu)、設(shè)備部件等斷裂破碎，從而導(dǎo)致人員傷亡、建筑物破壞以及設(shè)備毀壞等。

2.雷電感應(yīng)

感應(yīng)雷的破壞也稱為二次破壞。雷電流變化梯度很大，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的交變磁場(chǎng)，使得周圍的金屬構(gòu)件產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流可能向周圍物體放電，如附近有可燃物就會(huì)引發(fā)火災(zāi)和爆炸，而感應(yīng)到正在聯(lián)機(jī)的導(dǎo)線上就會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈的破壞性。感應(yīng)雷可通過兩種不同的感應(yīng)方式侵入導(dǎo)體，一種是靜電感應(yīng)；另一種是電磁感應(yīng)。研究表明：靜電感應(yīng)方式引起的浪涌數(shù)倍于電磁感應(yīng)引起的浪涌。由于電力電纜的距離長(zhǎng)且對(duì)雷電波的傳輸損耗小，所以由電源侵入的感應(yīng)雷造成的危害十分突出。同時(shí)，感應(yīng)雷還可以通過空間感應(yīng)侵入電氣設(shè)備內(nèi)部線路，雖然經(jīng)過建筑物和機(jī)殼的屏蔽衰減后其能量大為減小，但站內(nèi)許多電氣設(shè)備的抗過壓能力也很弱。據(jù)調(diào)查靜電感應(yīng)引發(fā)的雷擊事故占總體的80%。

3.雷擊電磁脈沖

作為干擾源的直接雷擊和附近雷擊所引起的效應(yīng)，絕大多數(shù)是通過連接導(dǎo)體的干擾，如雷電流或部分雷電流、被雷擊中的裝置的電位升高以及磁輻射干擾，經(jīng)感應(yīng)耦合、容性耦合或電磁輻射產(chǎn)生脈沖過電壓和過電流損壞有關(guān)設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大量采用微電子技術(shù)的、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)、監(jiān)控、通信等網(wǎng)絡(luò)日益廣泛地應(yīng)用于各種建筑物中，而微電子設(shè)備的高度集成化、低工作電平和小工作電流的特點(diǎn)，又帶來絕緣強(qiáng)度低，耐過電壓、過電流的能力差等致命弱點(diǎn)。

4.地電位反擊

當(dāng)設(shè)備沒有采取等電位接地措施的情況下，由于接地系統(tǒng)本身的接地途徑不同，沖擊接地電阻差異，以及在泄放雷擊電流時(shí)，所通過的雷擊電流存在差異，導(dǎo)致地電位升高和不平衡，當(dāng)?shù)仉娢徊畛^設(shè)備的抗電強(qiáng)度時(shí)，即引起反擊，損壞設(shè)備。

二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷環(huán)境特點(diǎn)

風(fēng)機(jī)安裝位置處于野外空曠的平地，大型風(fēng)機(jī)葉片高點(diǎn)（輪轂高度加風(fēng)輪半徑）最高可達(dá)150m，易受雷擊；由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常緊湊，無論葉片、機(jī)艙還是塔架受到雷擊，機(jī)艙內(nèi)的電控系統(tǒng)等設(shè)備都有可能受到機(jī)艙的高電位反擊。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電氣絕緣低（發(fā)電機(jī)電壓690 V、大量使用自動(dòng)化控制和通信元件）。暴露的位置及本身的高度決定了它極易遭雷擊的危險(xiǎn)?？梢哉f防雷其環(huán)境極其惡劣。尤于處于曠野之中高聳物體都不可能完全避免雷擊，所以對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷技術(shù)而言，重點(diǎn)應(yīng)放在遭受雷擊時(shí)如何迅速將雷電流引入大地，盡可能地減少導(dǎo)入設(shè)備的電流，最大限度地保障設(shè)備和人員的安全，使損失降低到最小的程度。

1.雷擊后果的嚴(yán)重性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的貴重設(shè)備，若遭受雷擊（特別是葉片和發(fā)電機(jī)貴重部件遭受雷擊），會(huì)造成風(fēng)機(jī)葉片爆裂、電氣絕緣擊穿、自動(dòng)化控制和通信元件燒毀等危害。所以，雷電災(zāi)害是威脅風(fēng)電機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的嚴(yán)重問題。

2.雷電保護(hù)區(qū)域的劃分（見圖1）

（1）雷電保護(hù)區(qū)LPZOA。

該區(qū)內(nèi)的各物體都可能遭受直接雷擊，同時(shí)在該區(qū)內(nèi)雷電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)能自由傳播，沒有衰減。

（2）雷電保護(hù)區(qū)LPZOB。

該區(qū)內(nèi)的各種物體在接閃器保護(hù)范圍內(nèi)，不會(huì)遭受直接雷擊，但該區(qū)內(nèi)的雷電電磁場(chǎng)因沒有屏蔽裝置，雷電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)也能自由傳播，沒有衰減。

（3）雷電保護(hù)區(qū)LPZi（i=1，2，...）。

當(dāng)需要進(jìn)一步減少雷電流和電磁場(chǎng)時(shí)，應(yīng)引入后續(xù)防雷區(qū)，并按照需要保護(hù)的系統(tǒng)所需求的環(huán)境選擇后續(xù)防雷區(qū)的要求條件。

三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組綜合防雷技術(shù)

現(xiàn)代綜合防雷包括了外部防雷和內(nèi)部防雷兩大部分。一套完善的防雷設(shè)施，為了實(shí)現(xiàn)其對(duì)不同雷電的防護(hù)目的，必須采取接閃、分流、屏蔽、均壓、接地等技術(shù)措施。

外部防雷的作用是將絕大部分雷電流直接引入地下泄散。外部防雷一般是防止建筑物或設(shè)施（含室外獨(dú)立電子設(shè)備）免遭直擊雷危害，其技術(shù)措施可分接閃器（避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等金屬接閃器）、引下線、接地體等。

內(nèi)部防雷——快速泄放沿著電源或信號(hào)線路侵入的雷電波或各種危險(xiǎn)過電壓這兩道防線，互相配合，各盡其職，缺一不可。內(nèi)部防雷系統(tǒng)主要是對(duì)易受過電壓破壞的電子設(shè)備加裝過壓保護(hù)裝置，在設(shè)備受到過電壓侵襲時(shí)，防雷保護(hù)裝置能快速動(dòng)作泄放能量，從而保護(hù)設(shè)備免受損壞。endprint