高金芳

【摘要】風(fēng)力發(fā)電因其清潔無(wú)污染、可永續(xù)利用等特點(diǎn)，對(duì)于調(diào)整我國(guó)能源結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)資源節(jié)約利用、促進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、推進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展意義重大。我國(guó)幅員遼闊，風(fēng)能資源豐富，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電優(yōu)勢(shì)得天獨(dú)厚。為了能保障風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)在一個(gè)可靠的環(huán)境下安全運(yùn)行，對(duì)風(fēng)機(jī)采取相應(yīng)的雷擊保護(hù)措施是不可避免的。對(duì)此，本文針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷擊及其防護(hù)進(jìn)行了研究，以雷擊風(fēng)機(jī)槳葉暫態(tài)特性仿真分析為案例，提出了防雷整改措施，希望為雷擊事故應(yīng)對(duì)和處理提供參考。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電機(jī)；雷電繞擊；防護(hù)

風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能進(jìn)行較為直接地開發(fā)利用，風(fēng)電場(chǎng)一般建立在山頂、荒漠、灘涂等自然地理環(huán)境復(fù)雜且容易受到雷電災(zāi)害影響的地方，雷擊事故時(shí)有發(fā)生，風(fēng)力發(fā)電的蓬勃發(fā)展正在受到日益嚴(yán)重的雷電災(zāi)害的威脅。國(guó)內(nèi)外相關(guān)案例都表明雷擊是嚴(yán)重威脅風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)安全的主要問題之一。雷電擊中風(fēng)機(jī)后，雷電流將會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片等結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致高昂的經(jīng)濟(jì)損失，如維修費(fèi)用、人工成本和停運(yùn)損失等。為避免雷擊事故中雷電流對(duì)風(fēng)機(jī)的損害，風(fēng)電場(chǎng)的雷擊防護(hù)至關(guān)重要。

一、雷電放電概述

雷電具有非常強(qiáng)大的爆發(fā)力，也具有很大的隨機(jī)性，雷電的放電主要是雷云和雷云之間或者雷云內(nèi)部進(jìn)行的，其中雷云放電是在某些適當(dāng)?shù)牡乩砗蜌庀髼l件下，由于比較強(qiáng)烈的潮濕熱氣流不斷上升進(jìn)入稀薄大氣層后冷凝的結(jié)果。雷云對(duì)地放電是從下行先導(dǎo)放電階段開始的。如今的風(fēng)電機(jī)組容量已經(jīng)從幾百千瓦擴(kuò)大到兆瓦級(jí)的，高度也已經(jīng)達(dá)到了一百多米，屬于高體結(jié)構(gòu)，其雷云在下行先導(dǎo)通道中負(fù)電荷的感應(yīng)作用下，風(fēng)電機(jī)組會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)正電荷。當(dāng)下行先導(dǎo)頭部接近機(jī)組時(shí)，風(fēng)機(jī)的葉片尖端部分會(huì)發(fā)生畸變作用，伴隨著電場(chǎng)強(qiáng)度快速擴(kuò)大，附近的大部分空氣產(chǎn)生游離，就會(huì)發(fā)生上行先導(dǎo)。其中上升放電先導(dǎo)是分布正電荷，向上的速度是（0.05～1.2）×106m/s。接著上升先導(dǎo)和下升先導(dǎo)在空氣中會(huì)合之處就產(chǎn)生了回?fù)舴烹?，于是風(fēng)機(jī)就遭受了雷擊，會(huì)合之處就是雷擊點(diǎn)。

二、繞擊模型

目前較為常用的繞擊分析模型包括經(jīng)典電氣幾何模型和Eriksson提出的改進(jìn)電氣幾何模型。電氣幾何模型在分析輸電線路屏蔽失效的方面獲取了較好的效果。電氣幾何模型是基于擊距概念，擊距是將線路引雷能力與雷電流幅值聯(lián)系在一起。在電氣幾何模型的基礎(chǔ)上，相關(guān)的學(xué)者又通過完善提出了引雷空間法開展線路防雷保護(hù)的分析。引雷空間法中的非常重要的一個(gè)概念是吸引半徑，具體說(shuō)的是引雷的結(jié)構(gòu)物包含一定的雷電吸引范圍，一旦雷電下行先導(dǎo)進(jìn)入吸引半徑區(qū)域內(nèi)，結(jié)構(gòu)物會(huì)產(chǎn)生迎面先導(dǎo)從而攔截下行先導(dǎo)，否則雷電先導(dǎo)擊中地面。吸引半徑較擊距更能看出建筑產(chǎn)生的上行先導(dǎo)所產(chǎn)生的雷擊影響。

三、雷擊風(fēng)機(jī)槳葉暫態(tài)特性仿真分析

由于風(fēng)機(jī)高聳的結(jié)構(gòu)和槳葉頂端突出的特點(diǎn)，風(fēng)機(jī)槳葉是比較容易遭到雷擊的部位之一，而又因槳葉通常處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，受雷擊后，其雷電流泄放通道更難形成，所以槳葉也很容易擊壞?？梢园颜麖埲~片看成一條傳輸線，并且等值成一個(gè)RLC電路，選取的葉片仿真模型在工程中實(shí)際長(zhǎng)度為60m。在ATPdraw仿真電路中，把葉片依次從上往下等分成A、B、C三段，雷電流從槳葉的頂部注入，在每相隔的RLC電路中添加節(jié)點(diǎn)電壓測(cè)量?jī)x，設(shè)置每段20m的單相分布傳輸線。

為更接近實(shí)際風(fēng)機(jī)情況，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，選取風(fēng)機(jī)的部分參數(shù)為：整機(jī)總體直徑是130m，塔體高80米，葉片長(zhǎng)度為60m，葉根弦長(zhǎng)4m。設(shè)雷電流波形為我國(guó)電力行業(yè)規(guī)定采用的2.6/50μs，且在仿真軟件中參數(shù)設(shè)置幅值為100kA，波頭時(shí)間為4E-6，半波時(shí)間為5E-5。在ATPdraw仿真軟件中，設(shè)定仿真參數(shù)后，進(jìn)行仿真。

另外，雷電流沿殼體內(nèi)部路徑傳導(dǎo)時(shí)常會(huì)出現(xiàn)電弧，弧道附近的殼體材料，同時(shí)高溫可能高達(dá)幾千度，這樣高的溫度會(huì)嚴(yán)重?zé)龘p弧道附近的殼體材料，同時(shí)高溫也會(huì)在殼體內(nèi)部產(chǎn)生高壓力的沖擊波，對(duì)槳葉殼體產(chǎn)生機(jī)械損傷，這種損傷連同電弧通道高溫的燒灼作用，常使受雷擊后的槳葉出現(xiàn)裂痕。

四、風(fēng)電場(chǎng)防雷整改措施

（一）風(fēng)機(jī)基座基礎(chǔ)與箱變?cè)O(shè)備防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)基座基礎(chǔ)與箱變?cè)O(shè)備防雷接地要依據(jù)風(fēng)機(jī)的所在的地理環(huán)境、土壤電阻率、雷電災(zāi)害發(fā)生的頻率等條件，并根據(jù)IEC61400-24-2010等的相關(guān)規(guī)范和要求來(lái)設(shè)計(jì)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的接地系統(tǒng)不僅是風(fēng)機(jī)與箱變的防雷接地，同時(shí)也是系統(tǒng)接地（防靜電接地）、保護(hù)接地和工作接地。首先，要利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)基座基礎(chǔ)接地裝置當(dāng)作自然接地體，其次，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況和土壤電阻率在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)接地體外進(jìn)行敷設(shè)，接地銅引線穿過基座時(shí)與基座里的鋼筋有效的連接，并與箱變?cè)O(shè)備的接地連接在一起，將風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)的接地和基礎(chǔ)外接地網(wǎng)聯(lián)系構(gòu)成完整的接地體。最后，埋設(shè)垂直接地體以及外延接地體當(dāng)作擴(kuò)散雷電流的人工接地網(wǎng)，通過利用厚度不小于4mm的熱鍍鋅扁鐵，且埋地的深度不小于80cm，以符合接地電阻阻值小于4Ω的要求。

結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，通過利用半球接地原理，在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)外延一定數(shù)量的水平接地體，并在外延水平接地體上均勻地布設(shè)相應(yīng)數(shù)量的接地高效降阻產(chǎn)品DK-AG/Fb防腐電解地極，利用電解質(zhì)向地表深層和四周的泄放，可使導(dǎo)電率極差的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)很好的導(dǎo)電通道，大大降低接地電阻。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在風(fēng)電機(jī)組設(shè)備損壞當(dāng)中，葉片的損壞對(duì)發(fā)電量的影響最大，所需要的維修費(fèi)用最多，維修工藝也最復(fù)雜。嚴(yán)重的雷擊葉片事故甚至可能導(dǎo)致整臺(tái)風(fēng)電機(jī)組報(bào)廢。而風(fēng)機(jī)的雷擊特性又和葉片密切相關(guān)，因此葉片的防雷是風(fēng)電機(jī)組防護(hù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。針對(duì)雷電對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的致災(zāi)機(jī)理和防護(hù)技術(shù)還需要不斷開展深入研究，從而促進(jìn)風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展。

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