趙 蕓，肖 煦

（廣西水利電力職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530200）

0 引言

2020 年9 月，隨著“雙碳”目標的提出，建設新型電力系統(tǒng)、大力發(fā)展新能源發(fā)電已成為國內電力行業(yè)的發(fā)展方向。對于傳統(tǒng)發(fā)電已達瓶頸廣西的電力市場而言，大范圍建設風電場是緩解當前電力緊缺現(xiàn)狀的關鍵突破口。當前我國的風電技術不斷完善、裝機規(guī)模不斷擴大，廣西風電的裝機容量在2022 年6 月已達692 萬千瓦。

陸上風電場的雷擊防護面臨著土壤電阻率高、運行工況惡劣及風力發(fā)電的固有的結構缺陷等問題[1]。其中，風力發(fā)電固有的結構性缺陷指：隨著風電技術的發(fā)展，隨之增加的單個風機容量和逐漸增大的輪轂高度和葉輪直徑在運行過程中受雷擊概率大于其處于靜止狀態(tài)時[2，3]。雷擊對處于混沌狀態(tài)的風電系統(tǒng)是一次大擾動[4]，如擊中風機葉片，易導致造成葉尖結構爆裂破壞，嚴重時使整個葉片開裂；如因雷擊產生雷電入侵波則有可能導致二次設備的損壞，此兩種情況都有可能導致系統(tǒng)的崩潰，造成巨大的經濟損失[5-9]，尤其是因雷電極性不同風機葉片接閃作用機制存在明顯差異，最終導致風機葉片接閃器失效[10]，最終影響風電場及其所并入公用電網的正常運行。

參照廣西氣象局數(shù)據(jù)及《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》（GB/T50064-2014）分級，廣西屬于多雷區(qū)。因此，如何有效地解決風力發(fā)電中的雷擊問題，具有重要的理論意義和實際應用價值。

1 風機葉片的雷擊防護

目前，玻璃纖維增強聚酯（GFRP）、碳纖維增強聚合物（CFRP）以及玻璃-碳纖維復合材料（GF-CF）是對于風機葉片的雷擊防護最常采用的三種材料。GFRP 材料的優(yōu)點是成本低，易加工，但其強度和剛度相對較低；CFRP 材料具有良好的強度和剛度，但價格昂貴；GF-CF 材料是GFRP 和CFRP 的組合，具有較高的強度和剛度，但耐久性較差。針對防雷措施，《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》（GB/T 50064-2014）中提到的裝設接閃器和在風機塔頂端裝設避雷針和避雷線等措施可以用于直擊雷的防護，而針對感應雷的防護措施則包括電磁屏蔽、浪涌保護器、對風機內法蘭、發(fā)電機、配電柜、齒輪箱、風速桿和機艙金屬框之間的等電位連接等。對于損傷機制，我們分析了不同葉片材料在雷電弧作用下的損傷機制和相應的典型特征。經研究發(fā)現(xiàn)，葉片損傷與電弧熱效應和機械爆裂有關。電弧產生的焦耳熱會導致葉片中間填充層的水分發(fā)生相變，使得水蒸氣在高溫高壓下加速葉片爆裂[11-13]。針對這一問題，我們建立了描述熱-磁-氣流場的磁流體模型，并分析了葉片的結構性損傷的典型特征，以獲取機械結構的防護薄弱區(qū)域。在下行或上行先導中，經常出現(xiàn)分叉的現(xiàn)象，因此采用二維隨機模型描述。進一步推論，下行先導所導致的分叉可使風機葉片遭受兩次雷擊，而該情況下的臨界擊穿場強為216 kV/m。

另外，根據(jù)對302 個風電機組的雷擊案例進行統(tǒng)計，風機葉片受雷擊次數(shù)占28%，電子電氣系統(tǒng)受雷擊占比71%[14]。

根據(jù)電位升高最大幅值和注入雷電流最大幅值之比，考慮分布效應參數(shù)和土壤電離等因素，并根據(jù)雷電流傳播路徑，采用電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析計算，當雷電沖擊電流為100 kA 時，沖擊接地電阻的數(shù)值為10.08 Ω。工頻接地電阻為16.495 Ω，遠大于其所需數(shù)值[15，16]。

目前風機葉片采用等電位連接以及布置接閃器的措施來達到降低雷擊故障率的效果。但對風機葉片的雷擊防護還應當關注因雷擊產生的電弧熱效應以及機械爆裂的機制。在描述熱-磁-氣流場的磁流體模型中，我們通過試驗分析了9 個樣本，其擊穿點分布見表1[17]。

表1 沖擊電流試驗擊穿數(shù)據(jù)表

實驗結論表明，使用巴塞木作為風機葉片的夾層材料時，其電氣強度差會導致更多的擊穿點。同時，擊穿區(qū)域主要分布在主梁及后緣夾層交界處、后緣夾層處和玻璃纖維交界處。為了防止雷擊貫穿葉片導致的不可控爆裂，可在風機葉片兩腹板及后緣腹板外側布置引下線。此種做法雖在一定程度上降低葉片的機械強度，但對于雷擊防護效果顯著，能有效減小不可預見的危險[17]。

風機葉片在運行過程中，其旋轉狀態(tài)會對放電通道產生偏轉性影響，并導致“拉弧”現(xiàn)象如圖1 所示。這種現(xiàn)象會削弱風機葉片的接閃器效果，并使其更容易被燒蝕[18-20]，如圖2 所示。

圖1 拉弧現(xiàn)象

圖2 被電弧燒蝕的風機葉片

風機葉片雷擊接閃存在著極性效應，這是由于風機葉片表面積分電容的不對稱性導致的。針對這一現(xiàn)象，該論文提出了一種基于Monte Carlo 模擬風險評估方法，可以用于評估風機葉片雷擊接閃的風險程度，并為風電場的設計和運行提供科學依據(jù)。該論文的研究成果對于提高風電場的可靠性和安全性具有一定指導意義[20-22]。

根據(jù)論文的研究成果，在雷電電流高達201 kA的情況下，只有金屬網被電流焦耳熱的影響熔斷，而玻璃纖維板未受到嚴重損傷。因此，采用金屬防護網可作為風機葉片的重要保護措施[23，24]。但其缺點包括制造成本高昂和金屬部件在自然環(huán)境中的耐久性較差。如果解決經濟性和耐久性的問題，金屬防護網是一種較好的防護措施。

2 風電場集電線路的雷擊防護

風電場集電線路的防雷按防護機制可分為“阻塞型”和“疏導型”。

2.1 “阻塞型”防雷技術

“阻塞型”防雷技術是依靠避雷器、架空地線、地網、避雷針等傳統(tǒng)措施阻止線路遭受雷擊的技術方案[25，26]。其優(yōu)點在于當雷擊工況不復雜時，如小幅值的直擊雷，該技術便能對線路起到良好的防雷效果。但當雷擊工況過于復雜時，如高土壤電阻率時出現(xiàn)反擊、繞擊和多重雷擊則防護效果便大幅衰退使得線路跳閘甚至設備損毀。

在風機塔上裝設避雷針，風機和風機箱變在設計上要求工頻接地電阻不大于4 Ω，若接地電阻大于此數(shù)值則需通過地網降阻的措施解決此問題[27]，在接地電阻埋設深度足夠的情況下，可遵循以下公式尋找差異化防雷的策略：

式中，Re為接地電阻值，I為雷電流幅值，γ為土壤電阻率，α為接地導體橫截半徑?；诠こ淘靸r問題，無法無限制增加，而土壤電阻率在廣西的喀斯特地貌下亦處于“欠賬”水平。

2.2 “疏導型”防雷技術

“疏導型”防雷技術指依靠并聯(lián)間隙為核心的防雷技術，該技術不抑制電弧的閃絡，相反依靠犧牲部分耐雷水平配合自動重合閘裝置來實現(xiàn)防雷效果，特點是設備損壞率較低而跳閘率較高。其中如圖3（a）所示：令L/L0為絕緣配合比ξ，該數(shù)值越小線路的耐雷水平越低，絕緣子兩端出現(xiàn)過電壓時越容易形成穩(wěn)定燃燒的電弧。如圖3（b）、3（c）所示，因并聯(lián)間隙為金屬材質，經電弧燒蝕多次后容易產生損耗，導致絕緣配合比減小，當并聯(lián)間隙觸發(fā)多次后便失去效果，故不具備耐用性。

圖3 并聯(lián)間隙防雷技術

綜上得出結論：該防雷技術為“雙刃劍”，適合在運行工況極端惡劣的環(huán)境下使用。而絕緣配合比ξ的數(shù)值應根據(jù)當?shù)貧夂驐l件的不同而有所調整，工程應用中多取0.8～0.9。

2.3 “沖擊疏導-工頻阻塞”防雷技術

廣西大學王巨豐團隊提出的“沖擊疏導-工頻阻塞”的防雷技術可在一定程度上達到減少雷擊故障率的效果。該技術以多重曲折通道滅弧防雷間隙（ALPG）為核心，集合了“阻塞型”和“疏導型”防雷技術的優(yōu)勢，并可有效熄滅發(fā)展至一定程度的電弧，其設置了幅值為20 kA 的沖擊大電流試驗波形如圖4所示：在該波形圖中，電弧出現(xiàn)數(shù)個強迫過零點，該現(xiàn)象說明ALPG 具有滅弧能力，并可縮短電弧燃熾時間，促進電弧發(fā)展過程。該波形表明，在該波形中出現(xiàn)有限個不可導的點，這說明在每一個不可導點處均有電弧能量注入和消散（分別對應左導數(shù)為正值，右導數(shù)為負值），從而說明ALPG 裝置的特殊結構具有滅弧效果[28]。

圖4 ALPG 沖擊電流試驗波形

且該技術的掛網應用并不與地網建設、避雷針和架空地線的架設相沖突，在工程應用中該技術可與其配合使用，據(jù)《交流架空輸電線路防雷用自滅弧并聯(lián)間隙DL-T 2110-2020》可知其正常運行的條件，見表2。

表2 35 kV 自滅弧并聯(lián)間隙的運行條件

目前該裝置已在福建、四川等風電場集電線路上掛網運行，據(jù)運行報告可知：總體而言，安裝ALPG 后線路跳閘率和設備損壞率降低，但單個裝置對電弧重燃的抑制能力和對工頻續(xù)流的熄滅能力略有不足，但該技術仍具備較為廣闊的應用前景。

3 結論

以上分析了風電場風機葉片與集電線路的防雷措施，從而得出結論：

（1）對于風機內二次設備的防護需要使用SPD配合等電位連接來達到防雷的目的，該措施主要用來應對感應雷的威脅。

（2）對于風機葉片的防雷分析包括風機葉片受雷擊概率、雷電流傳導的路徑分析、根據(jù)極性不同來評估風機葉片上任意位置的雷擊風險。在風機葉片轉動時遭受雷擊的概率和故障率均大于其處于靜止狀態(tài)時。對此研究人員進行了相關的實驗，最終確定風機葉片防護薄弱的位置處于主梁和后緣夾層交界以及后緣夾層處，若在此處做出相關的防護則可降低風機葉片的損壞率，如優(yōu)化接閃器的布置位置。

（3）在風機葉片外加裝金屬網雖會增加成本、并需定時巡檢，但在運行工況極其惡劣的區(qū)域選擇此項技術則可保障在雷電流極大的情況下風機葉片的機械性能。

（4）風電場集電線路具有長距離、土壤電阻率高以及防護困難等特點，“阻塞型”和“疏導型”防雷技術所能起到的效果均有限。但避雷器、避雷針，土壤降阻技術和浪涌保護器等均是目前最常規(guī)也是能夠立竿見影的方法。而“沖擊疏導-工頻阻塞”技術受限于尚未完全成熟的ALPG 及工藝水平，雖有廣闊的應用前景和市場，但仍需配合如土壤降阻技術、避雷線等措施使用。