林彬 余文馨 陳銘 王志良

摘要 一般在沿海的灘涂或者在海面上建設(shè)沿海風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組，一些風(fēng)電機(jī)組的高度達(dá)到150 m，是雷擊的主要目標(biāo)，而風(fēng)電機(jī)組中的葉片、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及軸承則是主要的雷擊對(duì)象。雷電一般通過(guò)機(jī)械效應(yīng)及熱效應(yīng)直接的方式損害風(fēng)電機(jī)組，同時(shí)還會(huì)以電涌過(guò)電壓效應(yīng)及電磁感應(yīng)效應(yīng)間接的方式損害風(fēng)電機(jī)組。因此，在制定沿海風(fēng)電場(chǎng)雷電防護(hù)對(duì)策時(shí)，必須明確其危害的特點(diǎn)，還要評(píng)估雷電危害的風(fēng)險(xiǎn)，從而作為風(fēng)電場(chǎng)雷電危害防護(hù)對(duì)策的依據(jù)，確保防護(hù)對(duì)策的切實(shí)可行。

關(guān)鍵詞 沿海風(fēng)電場(chǎng)；雷電危害；特點(diǎn)

中圖分類號(hào)：S761.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2023）12–0-04

Characteristics and Protection Measures of Lightning Hazards in Coastal Wind Farms

Lin Bin et al（Pingtan Comprehensive Experimental Region Meteorological Bureau， Pingtan， Fujian 350400）

Abstract The wind turbines of coastal wind farms were generally built on the coastal mudflat or on the sea. Some wind turbines were 150m high， which was the main target of lightning strikes， while the blades， mechanical structures and bearings of wind turbines were the main targets of lightning strikes. Lightning generally damages wind turbines through direct mechanical and thermal effects， as well as indirect methods such as surge overvoltage effects and electromagnetic induction effects. Therefore， before formulating lightning protection measures for coastal wind farms， it was necessary to clarify the characteristics of their hazards and evaluate the risks of lightning hazards， in order to serve as the basis for lightning protection measures for wind farms and ensure their practicality and feasibility.

Key words Coastal wind farms; Lightning hazards; Characteristics

風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)前發(fā)展規(guī)模最大、最為成熟的一種可再生能源發(fā)電技術(shù)，當(dāng)前已經(jīng)建設(shè)在海上或沿海區(qū)域，但一般距離海岸線均在20 km以內(nèi)。沿海風(fēng)電場(chǎng)通常均會(huì)選擇潮間帶，主要是因其施工成本相對(duì)較低，并且與變電站中心距離較近，向陸地輸送電能的成本較低。由于風(fēng)電機(jī)組較高，并且有很多金屬部件，尤其是近年來(lái)在建設(shè)風(fēng)電機(jī)組時(shí)，為了獲取更多的風(fēng)能，機(jī)組的葉輪直徑持續(xù)增大和輪轂高度持續(xù)上升，進(jìn)一步提高了風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊的概率。若發(fā)生雷擊事故，則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的傷亡事故和經(jīng)濟(jì)損失發(fā)生[1]。當(dāng)前，沿海風(fēng)電機(jī)組雖然具備防雷優(yōu)勢(shì)，海水電阻率比土壤電阻率更低，具備良好的接地散流條件，且對(duì)海底線路沒(méi)有影響，但沿海風(fēng)電機(jī)組的防雷劣勢(shì)比較明顯，機(jī)組高度達(dá)到150 m以上、沿海預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)可能更多、機(jī)組處于雷擊概率高的場(chǎng)地。因此，在建設(shè)沿海風(fēng)電場(chǎng)時(shí)必須明確雷電危害及其特點(diǎn)，并對(duì)沿海風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目的雷電危害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，在此基礎(chǔ)上制定相應(yīng)的防護(hù)對(duì)策，從而提升沿海風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的安全性，實(shí)現(xiàn)沿海風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 沿海風(fēng)電場(chǎng)雷電危害的特點(diǎn)

1.1 雷電危害的頻次高

雷電危害的頻次高主要是由2個(gè)方面決定的。一方面，沿海地區(qū)多會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣，在空氣濕度充足的情況下，陽(yáng)光將空氣加熱，從而形成飽和水蒸氣，形成積雨云造成我國(guó)沿海地區(qū)多雷電的主要原因。同時(shí)，積雨云還會(huì)轉(zhuǎn)化成帶電雷雨云，主要是因?yàn)榭諝馍舷麓嬖谳^大的強(qiáng)對(duì)流，加上沿海地區(qū)的風(fēng)力較大，造成積雨云之間形成激烈運(yùn)動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生摩擦，在雷電高發(fā)的條件下，沿海地區(qū)的風(fēng)電機(jī)組受雷電危害的頻次較高。另一方面，沿海風(fēng)電場(chǎng)雷電危害主要分為直接危害和間接危害，直接危害主要由機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)所致，間接危害則是由雷電的電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)所致的?？梢?jiàn)，雷電危害的成因較多，每增加一種成因，雷電危害的發(fā)生概率就會(huì)增加，從而導(dǎo)致雷電危害的頻次較高。

1.2 雷電災(zāi)害造成的損失嚴(yán)重

當(dāng)沿海風(fēng)電機(jī)組受到雷擊后，雷電流會(huì)先落到塔頂，然后向塔底傳遞，這一方向的通路路徑較多，如塔筒、塔筒內(nèi)部電纜屏蔽層、防雷引下線等。受雷擊過(guò)程中暫態(tài)電位的抬高效應(yīng)，會(huì)使塔頂控制盒、電機(jī)外殼附帶高電位，從而損壞控制盒電子電路以及電機(jī)繞組[2]。

同時(shí)暫態(tài)電位抬高將會(huì)與附近金屬體產(chǎn)生電位差，若該電位差達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)擊穿兩者間的空氣間隙，導(dǎo)致金屬體附帶高電位，對(duì)機(jī)組中配置的電子設(shè)備以及電氣設(shè)備產(chǎn)生較大的破壞。此外，雷電流通過(guò)接地體形成暫態(tài)高電位，并且會(huì)沿著電纜屏蔽層向沒(méi)有受到雷擊的機(jī)組傳遞，從而導(dǎo)致這些機(jī)組的電子設(shè)備和電氣設(shè)備同樣受到損壞。在上述過(guò)程中受到損壞的電子設(shè)備、電氣設(shè)備以及其他裝置的造價(jià)昂貴，因此，雷電災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失較大。

雷電流不僅會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的電子設(shè)備和電氣設(shè)備產(chǎn)生損壞，還可對(duì)風(fēng)電場(chǎng)范圍內(nèi)的人員產(chǎn)生傷害，當(dāng)人處于受雷擊的風(fēng)電機(jī)組周邊一定范圍內(nèi)，其兩腳之間便會(huì)產(chǎn)生一定電位差，即跨步電壓，其會(huì)通過(guò)兩腳對(duì)人體產(chǎn)生作用，從而對(duì)人身安全造成影響。

1.3 規(guī)避難度大

沿海風(fēng)電場(chǎng)若要避免雷電對(duì)機(jī)組設(shè)備設(shè)施以及人員安全造成的威脅，必須聯(lián)合當(dāng)?shù)氐臍庀蟛块T(mén)做好天氣監(jiān)測(cè)，并且需要開(kāi)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要是因?yàn)檠睾５貐^(qū)的氣候環(huán)境比較復(fù)雜，天氣變化多端，需要通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掌握天氣情況，為雷電防護(hù)工作提供支持。目前，針對(duì)沿海風(fēng)電場(chǎng)水文氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)，但并未得到全面推廣與應(yīng)用，導(dǎo)致氣象檢部門(mén)與風(fēng)電相關(guān)企業(yè)聯(lián)系不緊密，或是無(wú)法為其提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。造成沿海風(fēng)電場(chǎng)規(guī)避雷電的難度較大。同時(shí)在開(kāi)展沿海風(fēng)電場(chǎng)雷電風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)的過(guò)程中，還要重視雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，結(jié)合所在區(qū)域雷電活動(dòng)規(guī)律，計(jì)算雷擊風(fēng)電機(jī)組及其附近的年預(yù)計(jì)次數(shù)、雷擊機(jī)組線路及其附近的年預(yù)計(jì)次數(shù)、機(jī)組雷擊風(fēng)險(xiǎn)等，計(jì)算項(xiàng)目較多，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的難度也較大，從而導(dǎo)致雷電風(fēng)險(xiǎn)未能得到有效評(píng)估，難以及時(shí)有效規(guī)避雷電。

2 沿海風(fēng)電場(chǎng)雷電危害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

目前，沿海風(fēng)電場(chǎng)雷電危害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要是根據(jù)IEC 61400-24：2019《Wind energy generation systems - Part 24：Lightning protection》，通過(guò)對(duì)雷電危害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估可為沿海風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的防護(hù)提供支持。具體評(píng)估方法主要是通過(guò)對(duì)雷擊風(fēng)電機(jī)組及其附近的年預(yù)計(jì)次數(shù)、雷擊機(jī)組線路及其附近的年預(yù)計(jì)次數(shù)、機(jī)組雷擊風(fēng)險(xiǎn)等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算所得。

2.1 雷擊風(fēng)電機(jī)組及其附近的年預(yù)計(jì)次數(shù)

2.1.1雷擊風(fēng)電機(jī)組年預(yù)計(jì)次數(shù) 雷擊風(fēng)電機(jī)組年預(yù)計(jì)次數(shù)的計(jì)算公式如下：

ND=NSG×AD×CD×10-6（1）

式（1）中，ND代表雷擊風(fēng)電機(jī)組年預(yù)計(jì)次數(shù)；NSG代表每平方公里雷擊點(diǎn)密度，通常為NG，若多個(gè)接地點(diǎn)均會(huì)受到雷電影響的情況下，則NSG=2NG；AD代表雷電風(fēng)電機(jī)組有效截收面積；CD代表風(fēng)電機(jī)組位置因子，主要由冬季頻繁出現(xiàn)閃電、地形復(fù)雜性以及海拔組成。其中，如果冬季未出現(xiàn)閃電，則冬季頻繁出現(xiàn)閃電這一項(xiàng)取值為0，其他2項(xiàng)正常計(jì)算，若存在冬季閃電活動(dòng)，則可分為低活動(dòng)、中活動(dòng)和高活動(dòng)，取值分別為2、4、6。地形復(fù)雜性方面，近似平原地形的復(fù)雜性<0.3時(shí)，取值為1，丘陵地形復(fù)雜性介于0.3～0.4之間時(shí)，取值為3，山地地形復(fù)雜性>0.4時(shí)，取值為4。海拔在800 m以下時(shí)，取值為0；海拔為800～1 000 m時(shí)取值為1；海拔在1 000 m以上取值為2。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，沿海風(fēng)電機(jī)組位置因子為1。

2.1.2 雷擊風(fēng)電機(jī)組附近年預(yù)計(jì)次數(shù)

雷擊風(fēng)電機(jī)組附近年預(yù)計(jì)次數(shù)的計(jì)算公式如下：

NM=0.5×NSG×AM×10-6（2）

式（2）中，AM代表雷擊風(fēng)電機(jī)組附件有效截收面積，由于當(dāng)前沿海風(fēng)電機(jī)組的高度一般均超過(guò)了100 m，因此該值可忽略不計(jì)。

2.2 雷擊機(jī)組線路及其附近的年預(yù)計(jì)次數(shù)雷擊機(jī)組線路年預(yù)計(jì)次數(shù)的計(jì)算公式如下：

NL=NSG×AL×CI×CE×CT×10-6（3）

式（3）中，AL代表雷擊風(fēng)電機(jī)組線路有效截收面積；CI代表風(fēng)電機(jī)組線路設(shè)施因子，若屬于架空線路則取值為1，若屬于埋地線路則取值為0.3；CE代表線路環(huán)境因子；CT代表線路類型。由于沿海風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組線路均為海底線路，則雷擊機(jī)組線路年預(yù)計(jì)次數(shù)為0，但實(shí)際上仍需考慮不在海底范圍的線路受雷擊風(fēng)險(xiǎn)。例如，沿岸到陸地變電所之間的線路便需要考慮雷擊風(fēng)險(xiǎn)，而雷擊機(jī)組線路附近的年預(yù)計(jì)次數(shù)也與之相同。

2.3 機(jī)組雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

風(fēng)電機(jī)組的雷擊風(fēng)險(xiǎn)可以按照如下方程式評(píng)估：

RX=NX×PX×LX（4）

式（4）中，NX代表一年之內(nèi)出現(xiàn)的危險(xiǎn)事件數(shù)量，即上述各年預(yù)計(jì)次數(shù)之和；PX代表?yè)p壞率；LX代表?yè)p失率。而風(fēng)險(xiǎn)R則屬于各風(fēng)險(xiǎn)分量構(gòu)成的總和。各風(fēng)險(xiǎn)分量包括的具體內(nèi)容可歸結(jié)如下。

2.3.1 人身傷害風(fēng)險(xiǎn) 人身傷害風(fēng)險(xiǎn)主要包括雷擊風(fēng)電機(jī)組所致或雷擊風(fēng)電機(jī)組線路所致。前者主要依據(jù)雷擊風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的接觸和跨步電壓對(duì)人身造成的傷害概率及損失率、人員處于危險(xiǎn)位置概率、暴露人員受直接雷擊傷害的概率進(jìn)行評(píng)估。其中，在對(duì)雷擊風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的接觸和跨步電壓對(duì)人身造成的傷害概率進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要明確相應(yīng)的概率值，當(dāng)無(wú)任何防護(hù)措施時(shí)，概率值為1，在設(shè)置警示牌的情況下，概率值為10-1，若外露部分進(jìn)行電氣絕緣處理時(shí)，概率值為10-2。同時(shí)還要確定土壤或地面類型的縮減因子，具體如表1所示[3]。

若沿海風(fēng)電機(jī)組采用雷電防護(hù)系統(tǒng)，則雷擊風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的接觸和跨步電壓對(duì)人身造成的傷害概率為0。而對(duì)于損失率而言，則包括接觸和跨步電壓所致?lián)p失（LT）、直接雷擊所致?lián)p失（LD）、火災(zāi)所致人身?yè)p失（LF1）、火災(zāi)所致社會(huì)損失（LF2）、內(nèi)部系統(tǒng)故障所致?lián)p失（LO），各類損失的平均值如表2所示[4]。對(duì)于暴露人員受直接雷擊傷害的概率分為靠近暴露邊界區(qū)域和遠(yuǎn)離暴露邊界區(qū)域，前者的位置因子為0.9，后者為0.1，暴露邊界區(qū)域即距離暴露邊界3 m之內(nèi)。

而對(duì)于雷擊風(fēng)電機(jī)組線路所致人身傷害風(fēng)險(xiǎn)則需要等電位連接必須考慮雷電防護(hù)水平，還要考慮設(shè)備耐沖擊電壓。

2.3.2 結(jié)構(gòu)組件物理?yè)p壞風(fēng)險(xiǎn) 此類風(fēng)險(xiǎn)的成因也是由雷擊風(fēng)電機(jī)組或雷擊風(fēng)電機(jī)組線路所致。當(dāng)雷擊風(fēng)電機(jī)組的型式為復(fù)合材料時(shí)，產(chǎn)生危險(xiǎn)火花的概率為1，而鋼混結(jié)構(gòu)或者是互聯(lián)金屬制品則為0.5。而雷擊風(fēng)電機(jī)組線路造成結(jié)構(gòu)組件物理?yè)p壞風(fēng)險(xiǎn)則需要考慮結(jié)構(gòu)組件物理?yè)p壞概率、人員處于危險(xiǎn)位置概率等指標(biāo)。

2.3.3 內(nèi)部組件系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn) 內(nèi)部組件系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)受雷擊風(fēng)電機(jī)組所致時(shí)，需要確定雷電防護(hù)水平，從而確定相應(yīng)的函數(shù)概率，具體如表3所示[5]。需要注意的是，只有當(dāng)防雷措施對(duì)風(fēng)機(jī)輪轂、機(jī)艙和塔架進(jìn)行保護(hù)時(shí)，或者當(dāng)具有連續(xù)金屬框架或鋼混框架作自然保護(hù)措施且滿足相關(guān)等電位連接以及接地要求的情況時(shí)，安裝協(xié)調(diào)配合匹配的防雷系統(tǒng)才能有效降低系統(tǒng)故障概率。

2.3.4 案例分析 （1）工程概況 中廣核新能源平潭海上風(fēng)電場(chǎng)，實(shí)際用海面積0.471 km2，水深 為6～30 m，裝機(jī)容量240 MW，單機(jī)容量4 MW，風(fēng)機(jī)高度加上風(fēng)葉的153 m，Td=53 d，風(fēng)機(jī)線路有穿鋼管屏蔽，配電箱有安裝浪涌保護(hù)器。

（2）機(jī)組雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估量算。對(duì)NX進(jìn)行計(jì)算主要根據(jù)某地區(qū)的面積以及該地區(qū)出現(xiàn)累計(jì)次數(shù)，即NX=D/SD。依據(jù)目前的技術(shù)水平和條件，D和S都可以得到較為精確的數(shù)值，因此用D和S去計(jì)算得到的NX值，通過(guò)查閱相關(guān)資料得到NX=5；對(duì)于PX需要根據(jù)上述人身傷害風(fēng)險(xiǎn)、結(jié)構(gòu)組件物理?yè)p壞風(fēng)險(xiǎn)以及內(nèi)部組件系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)該工程實(shí)際情況可以得出，該工程設(shè)置了警示牌，且外露部分做電氣絕緣處理，因此在人身傷害風(fēng)險(xiǎn)方面的PX值為10-2，而人身傷害造成的損失即直接雷擊損失LX值為0.1，該工程的結(jié)構(gòu)組件為鋼結(jié)構(gòu)，因此其損壞風(fēng)險(xiǎn)LX值為0.5，對(duì)于內(nèi)部組件系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)方面，該工程的機(jī)組組件雷電防護(hù)水平為I級(jí)，根據(jù)表3可取值為0.01。因此，該機(jī)組的累計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估量算值即RX=5×10-2×0.1×0.5×0.01=0.025‰。說(shuō)明該機(jī)組雷擊風(fēng)險(xiǎn)較低。

3 沿海風(fēng)電場(chǎng)雷電危害防護(hù)對(duì)策

若要有效降低沿海風(fēng)電場(chǎng)雷電危害風(fēng)險(xiǎn)，還必須積極采取有效的防護(hù)對(duì)策，針對(duì)沿海風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組容易受雷電危害的部件和部位制定相應(yīng)的防護(hù)對(duì)策，從而確保機(jī)組盡量規(guī)避雷電危害風(fēng)險(xiǎn)，確保沿海風(fēng)電場(chǎng)得以穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。

3.1 葉片和軸承的雷電防護(hù)

沿海風(fēng)電機(jī)組葉片使用的主材為玻璃纖維或是碳纖維的增強(qiáng)材料。如果未將導(dǎo)電體設(shè)置其中，或未對(duì)葉片表面開(kāi)展金屬化處理，則雷擊一旦發(fā)生將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的災(zāi)難性后果。因此，需要在機(jī)組葉片的物理結(jié)構(gòu)上面實(shí)施防雷設(shè)計(jì)措施，可以在葉尖部位安裝接閃器，同時(shí)和埋設(shè)在葉片中的引下線之間相互連接，然后在軸承位置加設(shè)絕緣墊層，從而改善軸承灼蝕情況。根據(jù)IEC 61400-24標(biāo)準(zhǔn)給出的葉片雷電保護(hù)設(shè)計(jì)方案（圖1a），可以進(jìn)行如下設(shè)計(jì)（圖1b）。

具體還應(yīng)該根據(jù)葉片的長(zhǎng)度合理確定接閃器位置。在葉片長(zhǎng)度小于20 m的情況下，可以在葉片尖端設(shè)置1個(gè)接閃器；當(dāng)葉片長(zhǎng)度介于20～30 m之間時(shí)，可分別在葉片尖端、壓力邊和吸力邊各設(shè)置1個(gè)接閃器，但要確保壓力邊和吸力邊的接閃器與葉片尖端接閃器保持一定距離，一般均勻分布即可；當(dāng)葉片長(zhǎng)度介于30～45 m之間時(shí)，可在葉片尖端設(shè)置1個(gè)接閃器，在壓力邊和吸力邊處分別均勻設(shè)置2個(gè)接閃器；當(dāng)葉片長(zhǎng)度大于45 m的情況下，葉片尖端處應(yīng)設(shè)置1個(gè)接閃器，而壓力邊和吸力邊則需要各設(shè)置3個(gè)接閃器，且需要確保均勻設(shè)置。

3.2 機(jī)艙雷電防護(hù)

葉片防雷可對(duì)機(jī)艙起到一定的防雷保護(hù)作用，一般情況下，在葉片上設(shè)置的接閃器以及引下線可將來(lái)自機(jī)艙上方以及前方的雷電下行先導(dǎo)，但為了更加有效地規(guī)避雷電危害，還應(yīng)該在機(jī)艙的尾部位置設(shè)置接閃桿。這一設(shè)置不僅能夠有效保護(hù)艙尾風(fēng)速風(fēng)向儀，還能有效保護(hù)機(jī)艙罩，使其避免直接遭受雷擊。若葉片上方并未制定任何防雷措施，則應(yīng)該在機(jī)艙的尾端和前端分別設(shè)置接閃桿，在必要的情況下，還需要在艙罩表面位置設(shè)置金屬網(wǎng)以及金屬帶，從而增強(qiáng)防雷保護(hù)的整體效果。很多機(jī)艙罩的制備材料均為金屬，這就相當(dāng)于法拉第罩，可對(duì)機(jī)艙內(nèi)部的設(shè)備進(jìn)行有效屏蔽，發(fā)揮雷擊防護(hù)作用，但是機(jī)艙尾部必須設(shè)置接閃桿，從而有效保護(hù)風(fēng)速風(fēng)向儀。此外，機(jī)艙內(nèi)部不僅要對(duì)設(shè)備進(jìn)行絕緣隔離，還要對(duì)全部設(shè)備和機(jī)艙底板進(jìn)行電氣連接，從而達(dá)到等電位效果，目的在于避免各類設(shè)備與部件之間受到雷擊時(shí)形成過(guò)大暫態(tài)電位差，從而避免受到反擊[6]。

3.3 接地系統(tǒng)的設(shè)置

海水電阻率要低于多數(shù)土壤電阻率，若離岸基礎(chǔ)屬于單樁或金屬鋼混基礎(chǔ)，則可以滿足接地系統(tǒng)的要求，這種情況下無(wú)須采取額外措施。除了將電力收集裝置電纜屏蔽與兩端本地接地之間連接，一般無(wú)須進(jìn)行海上基礎(chǔ)互連。但因腐蝕問(wèn)題，海上不可使用銅制外部接地系統(tǒng)。而對(duì)于在陸地上設(shè)置的沿海風(fēng)電機(jī)組則需要設(shè)置接地系統(tǒng)（圖2），并且防雷接地也是當(dāng)前各大風(fēng)電設(shè)備廠家提出的防雷參數(shù)要求，當(dāng)前東汽、金風(fēng)、海裝以及華銳等風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)提出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的接地電阻必須介于2～4 Ω之間，而國(guó)外的歌美颯和維斯塔斯對(duì)接地電阻的要求必須達(dá)到2 Ω，對(duì)于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，其接地電阻應(yīng)為10 Ω。在實(shí)際設(shè)置時(shí)，還需要設(shè)計(jì)接地網(wǎng)，所選材料為鍍鋅扁鐵，其最小橫截面要求為40.0 mm×4.0 mm。

3.4 等電位連接的設(shè)置

為了減少各類金屬設(shè)備之間存在的電位差，需要對(duì)機(jī)組外露金屬部分在自然連接狀態(tài)下無(wú)法確保電器傳導(dǎo)性連續(xù)時(shí)進(jìn)行等電位連接。等電位連接的重要部位包括電纜托架、機(jī)艙電氣設(shè)備、各節(jié)塔筒法蘭連接位置、輪轂內(nèi)部的電氣設(shè)備、塔筒底部?jī)?nèi)的電氣設(shè)備、變流柜支架、水冷散熱器、塔筒外部設(shè)備以及爬梯等。

3.5 電涌過(guò)電壓保護(hù)措施

電涌過(guò)電壓保護(hù)是沿海風(fēng)電機(jī)組必要措施之一，需要在風(fēng)電機(jī)組中加設(shè)電涌保護(hù)器。電涌保護(hù)器一般也被稱為浪涌保護(hù)器，依據(jù)其對(duì)電子設(shè)備和電氣設(shè)備的保護(hù)功能進(jìn)行劃分，可劃分為信號(hào)電涌保護(hù)器和電源電涌保護(hù)器，分別設(shè)置在通信線路和供電線路上，避免雷電電涌過(guò)電壓通過(guò)風(fēng)電機(jī)組線路對(duì)電子設(shè)備和電氣設(shè)備。同時(shí)，還需要依據(jù)風(fēng)電機(jī)組塔內(nèi)線路屏蔽情況合理選擇方案確定電源的電涌保護(hù)器標(biāo)稱放電電流。此外，為使機(jī)組變壓器高壓出線端開(kāi)展電涌防護(hù)，避免電涌過(guò)電壓通過(guò)高壓線路侵襲變壓器，還需要在高壓的出線端加設(shè)電涌保護(hù)器，即避雷器。無(wú)論是何種電涌保護(hù)器，從結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)存在差異的可能性較大，但最少必須含有1個(gè)非線性電壓限制原件，并且各類電涌保護(hù)器的保護(hù)機(jī)理是相同的，可有效保護(hù)電子設(shè)備和電氣設(shè)備。

3.6 安裝并使用雷電預(yù)警系統(tǒng)

安裝海上風(fēng)電場(chǎng)雷電預(yù)警系統(tǒng)可以按照預(yù)警信息及時(shí)做好防護(hù)，從而降低雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，該系統(tǒng)警戒范圍應(yīng)為10～15 km，若風(fēng)電場(chǎng)在使用多個(gè)雷電預(yù)警系統(tǒng)的情況下，可以利用系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)，從而擴(kuò)大雷電預(yù)警探測(cè)范圍。風(fēng)電場(chǎng)雷電預(yù)警系統(tǒng)在警戒范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)到電場(chǎng)出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)變化且達(dá)到預(yù)警限值的情況下，便會(huì)發(fā)出相應(yīng)等級(jí)的預(yù)警信息，從而根據(jù)預(yù)警信息進(jìn)行防護(hù)，確保沿海風(fēng)電場(chǎng)設(shè)施設(shè)備以及附近人員的安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

沿海風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組易遭到雷電危害，并且其受到的雷電危害具有頻次高、損失重、規(guī)避難度大等特點(diǎn)，相關(guān)人員必須掌握風(fēng)電機(jī)組雷電危害風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估方法，還要采取有效措施有效防護(hù)風(fēng)電機(jī)組的整體結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)對(duì)葉片、軸承、機(jī)艙等金屬構(gòu)件進(jìn)行防護(hù)，加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)置、等電位連接設(shè)置和電涌過(guò)電壓保護(hù)，從而全面保障風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的安全性，避免對(duì)人和周邊生物造成傷害。

參考文獻(xiàn)

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