劉建青

山西龍源風力發(fā)電有限公司 山西太原 030006

風電場一般地處偏僻，開闊空曠，隨著風電機組單機容量增大，輪轂高度和葉輪直徑隨之增加，雷擊風險也不斷身高。雷擊已成為對風電場安全運行危害最大的一類自然災害。如何避免風電場遭受雷擊，發(fā)生跳閘故障或設備損壞，對運營和設備商都是重要課題，兩者結(jié)合緊密。通過對山西區(qū)域多起雷擊故障分析，從設計、設備、基建和運維各環(huán)節(jié)做改進，以提升風電綜合防雷能力[1-2]。

1 風電防雷環(huán)境與雷擊特點

1.1 風電場防雷環(huán)境

風電場主要分布在三北地區(qū)和沿海。經(jīng)統(tǒng)計云、晉、冀等地風電雷害概率最高，閩、粵、遼等省雷害概率次之，寧、新、甘等地雷害概率最低。另據(jù)氣象資料，我國日均雷電年變化有雙峰值特點，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，主峰值量達第一峰值的2倍。

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

1.2 風電雷擊損壞特點

風電場雷擊破壞主要形式有兩類，一是集電線路和箱變因雷擊導致跳閘和設備損壞，造成場內(nèi)受累；二是機組受到雷擊，設備損壞停運。據(jù)統(tǒng)計，每百臺機組雷擊量約10%，葉片、控制、發(fā)電機、軸承系統(tǒng)易受雷擊損壞。

2 風電防雷現(xiàn)狀

2.1 防雷系統(tǒng)組成

風電場升壓站主控，一二次系統(tǒng)和線路防雷都按國家行業(yè)標準典型設計；機組防雷設計因國內(nèi)外在技術和理解上的差異有所不同，總體是按防雷保護分區(qū)。機組防雷包括：外部保護系統(tǒng)，如接閃器等；內(nèi)部保護系統(tǒng)，如電涌保護等。

2.2 防雷系統(tǒng)存在的問題

（1）機組防雷設計差異。接閃器在數(shù)量、分布、材料上差別較大。引下線須考慮導流能力、導線重量和熱穩(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。風機廠家對地電阻值要求不一致。

（2）其他方面存在的問題。①設計選型不當。風電場設計初期，局地雷電氣象資料不全，對雷害評估不足，設計雷電防護水平低，運行中超出設計所承的防護水平。機組防雷是由廠家設計，各廠家實際設計所依據(jù)標準和參數(shù)差別很大，又運行在各種不同的自然環(huán)境中，在設計制造期留下隱患。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，按照一般電氣設備接地方式設計的機組接地系統(tǒng)不能滿足要求。若將所有機組接地網(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現(xiàn)[3-4]。③避雷器性能不佳。復合外套金屬氧化物避雷器主要由三部分組成：閥片、復合外套和固定部件，也是決定質(zhì)量的關鍵因素。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，嚴重影響避雷器功能。這類設備一旦遇到雷擊自身率先擊穿炸裂，起不到保護作用還會擴大事故。④防雷設備運維缺失。從安全檢查看，對防雷設備的運檢維是不足的。甚至在運行很長時間后發(fā)現(xiàn)機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。種種情況表明，風電場防雷還應結(jié)合現(xiàn)場實際，制定完善防雷設備檢查、維護、評估管理。

3 風電場綜合防雷建議與措施

改善風電場防雷狀況，要從設計、制造、建設多環(huán)節(jié)入手，加強防雷設備的檢查維護，形成一套風電場綜合防雷體系。建議如下：（1）風電場選址，地質(zhì)好的機組基礎和低電阻率地網(wǎng)點是矛盾的。必須考慮各種因素，進行技經(jīng)優(yōu)化。在雷電高發(fā)區(qū)，適當提高雷電防護級別，最大程度發(fā)揮風電場防雷性能。在可研階段做到地勘測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，參照規(guī)程的雷電等級，作為設計和設備采購的依據(jù)。（2）加強防雷接地基建管理，明確監(jiān)理責任，全過程管理。接地導體會受到化學和電化學腐蝕，優(yōu)先選用優(yōu)良的防腐接地材料。在工程交接時要進行沖擊接地電阻測試，最好解開各機組間的地網(wǎng)連接點再測量。土壤電阻率500Ω.m以上，土壤電阻率不均勻強雷電區(qū)，接地設計要重點審核，接地工程由專業(yè)企業(yè)執(zhí)行[5]。（3）完善防雷設備檢查、維護、評估，加強巡視。確保接地電阻年檢和不合格接地電阻整改；加強對葉片避雷系統(tǒng)和引雷通道的檢查；箱變高低壓側(cè)均可設計安裝避雷器。對于多雷害風電場，應按沖擊接地電阻要求評估，必要時改造接地網(wǎng)。如果采用架空線，應全線架設避雷線。雷電特別強烈應全線架設避雷器并考慮雙避雷線，且耐受電流值應選擇更高參數(shù)。（4）葉片磨損、開裂等未及時修理也易造成葉片受雷擊，運行中應加強維保。吊裝前，測量葉片引雷線連接電阻，確保引雷線正常；隨著葉片長度增加，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，瞬間能量釋放很大，強度不夠，葉片直接折斷。在采購中應關注葉片質(zhì)量、強度和工藝。（5）風電場采用架空絕緣導線，在雷擊閃絡時易發(fā)生線路斷線。神池某風場在進站段采用絕緣導線，多次出現(xiàn)雷擊斷線故障。而裸導線在雷擊閃絡時由于電動力作用，電弧向負荷端移動，不會造成導線局部過熱熔斷，因此絕緣架空導線可考慮特殊防雷設計。

4 結(jié)語

雷害是威脅風電安全生產(chǎn)和效益的嚴重問題。根據(jù)風電運行現(xiàn)狀，應考慮各類因素的差別，建立完善符合當?shù)靥攸c的防雷規(guī)范和預案。在設計、采購、建設和運維等環(huán)節(jié)上注意改進，形成從機組、線路到升壓站的綜合防雷體系。